EP4002182A1 - Piezoelectric resonators as physically non-clonable functions (puf) - Google Patents

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EP4002182A1
EP4002182A1 EP20207717.8A EP20207717A EP4002182A1 EP 4002182 A1 EP4002182 A1 EP 4002182A1 EP 20207717 A EP20207717 A EP 20207717A EP 4002182 A1 EP4002182 A1 EP 4002182A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
puf
piezoelectric
piezoelectric resonator
puf element
response
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20207717.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Achim Bittner
Axel Sikora
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority to EP20207717.8A priority Critical patent/EP4002182A1/en
Publication of EP4002182A1 publication Critical patent/EP4002182A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F21/00—Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
    • G06F21/70—Protecting specific internal or peripheral components, in which the protection of a component leads to protection of the entire computer
    • G06F21/71—Protecting specific internal or peripheral components, in which the protection of a component leads to protection of the entire computer to assure secure computing or processing of information
    • G06F21/73—Protecting specific internal or peripheral components, in which the protection of a component leads to protection of the entire computer to assure secure computing or processing of information by creating or determining hardware identification, e.g. serial numbers

Definitions

  • the invention in a first aspect, relates to a system for authentication and/or determination of the identity of an object on the basis of a physically unclonable function (PUF) comprising a PUF element which has a piezoelectric resonator.
  • the PUF element is used to generate a cryptographic key, which depends on the physical properties of the piezoelectric resonator.
  • the system also includes a processor, which receives information about the cryptographic key of the PUF element by sending and/or receiving electrical signals and carries out an authentication and/or determination of the identity of an object on the basis of the information.
  • the invention relates to an electronic device comprising such a PUF element, uses of piezoelectric resonators as physically unclonable functions and methods for authenticating and/or determining the identity of an object based on a PUF element which comprises a piezoelectric resonator.
  • PAFs physically unclonable functions
  • a PUF is characterized in particular by the property of being physically unclonable and as such has similarity to biometric features such as fingerprints, irises, facial geometry etc.
  • Physical unclonable means preferably that the creation of a physical clone of a PUF is extremely difficult or impossible.
  • the applications for PUFs for identification and/or authentication are wide-ranging and include increasing the security of products against counterfeiting, implementations in multi-factor authentication to enable access to a computer system or online networks, etc.
  • PUFs have great potential. This is often done by storing a user's passwords or authentication tokens for the user on the device itself. Due to the diverse use of mobile devices in partially insecure environments, there is an increased Potential threat where an unauthorized person can gain access to confidential information.
  • EEPROM electrically erasable programmable read-only memory
  • SRAM static random-access memory
  • the secret key can be used as an authentication source by means of cryptographic operations such as digital signatures.
  • the disadvantages of using an EEPROM or SRAM are the costs, the increased power requirement and the susceptibility of non-volatile memories to invasive attack mechanisms (Herder et al. 2014).
  • PUFs represent a promising alternative, since the secret key is not stored in digital memory, but can be derived from the physical properties of the PUFs.
  • a laser is directed onto a stationary scattering medium and can be moved laterally.
  • the polarization of the laser can be modified.
  • the laser light emerging from the scattering is detected as a "speckle" pattern and is strongly dependent on the position and polarization of the laser due to multiple scattering.
  • a strong PUF element can be provided by such a system, since it is very difficult or almost impossible to reproduce an identical scattering medium in order to obtain the expected response (speckle pattern) in the event of a challenge (laser position or polarization).
  • WO 2007/046018 A1 describes an optical PUF with a combined sensor and display. Incident light is scattered by a light scattering element made of a material containing randomly distributed light scattering particles to create a random speckle pattern.
  • a light scattering element made of a material containing randomly distributed light scattering particles to create a random speckle pattern.
  • optical PUFs can be used for extremely secure authentication systems, the technical implementation is complex and expensive.
  • the physically unclonable element for example the light-scattering material, can be separated from a measuring device or a digital measuring process. If the PUF to Authentication of an associated processor or integrated circuit (IC) is to be used, this circumstance causes an intrinsic risk.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • Gassend et al. describe in 2002 the integration of a semiconductor-based PUF element into a conventional IC, for which a manufacturing-related variability of gate delays is used as an unclonable physical quantity.
  • Lee et al 2004 propose a PUF element as an arbiter PUF , where a racing situation between at least two digital paths is introduced in the circuit. If the at least two digital paths have the same nominal delay, no statement can be made about the outcome of the race based on the design of the circuits alone. Rather, the output is determined by delay parameters for the semiconductor elements involved, which are randomly distributed due to production.
  • ring oscillator PUFs An alternative variant of semiconductor-based PUFs, which exploit randomly distributed delays within the elements of a circuit, are so-called ring oscillator PUFs (cf. Suh et al. 2007, among others).
  • a ring oscillator PUF design most often includes both ring oscillators as delay loops and frequency counters to read out the delay.
  • FPGA field programmable array
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • arbiter PUF and ring oscillator PUF are distinguished by the possibility of direct integration of the PUF into semiconductor circuits, with conventional CMOS processes being advantageously able to be used. On the one hand, this simplifies production because, in contrast to optical PUFs, no additional process technologies have to be introduced. In addition, the possibility of directly integrating the PUFs into an IC or processor to be authenticated increases security, since it is not possible to separate the PUF and the object to be authenticated.
  • a disadvantage of the known PUFs is that, as a rule, complex and specific semiconductor circuits are required, due to the low entropy of the technology to achieve a sufficient distribution with which modeling attacks can be ruled out.
  • the object of the invention is to provide a PUF element or a system comprising such a PUF element which eliminates the disadvantages of the prior art.
  • the system according to the invention is characterized by a PUF element, which allows a highly secure and unambiguous identification of the object by sending and/or receiving electrical signals from a processor.
  • piezoelectric resonators have an extremely high, hitherto unrecognized potential for this purpose.
  • a characteristic resonance spectrum is generated by the layout of piezoelectric resonators, which is random due to manufacturing tolerances and thus highly unique for each piezoelectric resonator.
  • the characteristic resonance spectrum or vibration behavior can be specifically tested by electrically exciting the piezoelectric resonator using the processor.
  • the characteristic resonance spectrum depends on randomly distributed, individual physical properties of the piezoelectric resonator, which cannot be copied. Even with identical production processes for structurally identical piezoelectric resonators, intrinsic tolerances always lead to an individual and clear distribution of the physical properties.
  • the random physical properties in turn cause a characteristic resonance spectrum or vibration behavior, which can encode a cryptographic key like a spectral fingerprint. Information about the cryptographic key can be obtained by the processor by sending and/or receiving electrical signals.
  • complex inputs can also be used here, which relate to different vibration modes and/or frequencies.
  • the returns (responses) of piezoelectric resonators advantageously do not necessarily represent a discrete, digital response (eg in the sense of the presence or absence of a resonance). Rather, the response is characterized by continuous response parameters, such as an amplitude and/or phase shift as a function of the exciting electrical signals.
  • Kucera et al. investigate the measurement properties of piezoelectric cantilevers for different configurations in liquid media in an article from 2014 (Kucera et al. 2014).
  • the different resonance behavior of different vibration modes is revealed. For example, depending on the thickness of the piezoelectric bending beam, different resonance frequencies and amplitudes for in-plane or out-of-plane modes occur.
  • Campanella discusses manufacturing tolerances related to controlled thin-film deposition, oxide growth, or micromachining as causing variation in film thickness and hence deviations from a desired resonant frequency.
  • the thickness of the piezoelectric layer is the most important process parameter that controls the resonant frequency of the filter-forming FBARs. Analysis had shown that the tolerance of a ZnO deposition process must be kept to values below ⁇ 86 ⁇ in order to obtain a competitive ladder filter with application in the PCS band (1.9 GHz) (Andersen et al. 1996).
  • Campella does not suggest exploiting the individual nature of FBARs for PUF applications based on manufacturing tolerances. Rather, Campella suggests ensuring the smallest possible tolerance ranges by tuning relevant process parameters during production, after production or during operation. Even after tuning, however, tolerances cannot be avoided, which inevitably lead to a characteristic resonance behavior.
  • piezoelectric resonators While it was well known in the prior art that piezoelectric resonators can differ in their resonance behavior even if they are of identical design, the inventors recognized the use as a PUF element for the first time. Even one and the same manufacturer will not be able to create two piezoelectric resonators that have an absolutely identical resonance behavior. Instead, the piezoelectric resonators represent elements which cannot be physically cloned and which can be used in the system according to the invention for the authentication and/or determination of the identity of an object.
  • CMOS processes can preferably be used for the production of piezoelectric resonators.
  • semiconductor-based PUF elements such as arbiter PUFs or ring oscillator PUFs
  • complex semiconductor circuits are not necessary in order to generate sufficiently unpredictable and forgery-proof keys. Instead, a significant cost saving can be achieved by dispensing with complex semiconductor circuits and additional semiconductor elements.
  • authentication is preferably to be understood in its broadest form and can relate to any method to ensure an action or access based on information obtained about a cryptographic key of the PUF element.
  • any identification or verification method that is also based on the provision of information about the cryptographic key should be covered.
  • the system preferably comprises a PUF element comprising a piezoelectric resonator and a processor for reading out information about the cryptographic key, which depends on the physical properties of the PUF element.
  • processor preferably designates a logic circuit which can send, receive and process data or electrical signals.
  • Preferred processors include, without limitation, an integrated circuit (IC), an application specific integrated circuit (ASIC), a field programmable gate array (FPGA), a microprocessor, a microcomputer, a programmable logic controller, and/or other electronic, preferably programmable, circuitry.
  • a PUF element preferably means a component which, on the basis of physical or physical properties, encodes a cryptographic key which can be at least partially read out by means of the processor.
  • the PUF element itself cannot be cloned. This means that preferably no physical copy of the PUF element can be made which encodes or can generate the identical cryptographic key.
  • the physical properties of two PUF elements preferably differ due to the smallest fluctuations in the production process, even if the production process is intended to provide absolutely identical components.
  • the physical properties are, for example, an extent, thickness or rigidity of oscillatable elements, which influence the oscillation or resonance behavior of the resonators.
  • the PUF element preferably includes areas that process an input (challenge) and generate a return value (response) from it.
  • the challenges may take the form of electrical signals, it being particularly preferred to challenge one or more periodic signals with predetermined excitation frequencies use.
  • the response can also be in the form of one or more electrical signals whose amplitude and/or phase shift are uniquely changed by the physical properties of the piezoelectric resonator. It can also be preferred that the response is read out in the form of measurement data on the mechanical vibration behavior of the piezoelectric resonator after an excitation.
  • a piezoelectric resonator preferably designates a component comprising an oscillatable element and a piezoelectric material, which can be excited to oscillate by means of electrical signals.
  • Physical properties such as the expansion, thickness or rigidity of the components of the piezoelectric resonator preferably determine the vibration behavior. Resonances can occur especially for frequencies close to the natural frequencies.
  • the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure, wherein the oscillatable structure comprises a piezoelectric actuator which is configured to excite the oscillatable structure.
  • An oscillatable structure can relate, for example, to an oscillatable and/or oscillatingly mounted membrane or a cantilever or bending beam.
  • the oscillation can comprise a simple oscillation essentially along one spatial dimension and/or around a one-dimensional axis, but it can also be a complex, spatially multi-dimensional oscillation or oscillation mode.
  • the vibrations should preferably be sufficiently pronounced that the vibration or characteristic properties can be measured by a measuring unit.
  • a measurable and electronically processable electrical signal can be generated from the measurement of the vibration, which can advantageously contain information about the vibration and its properties, such as. B. vibration amplitude, vibration frequency, phase of the vibration preferred to an exciting electrical signal.
  • Vibration is preferably understood to be a repeated fluctuation over time in the spatial deflection of the structure or of regions of the structure.
  • the Oscillation is essentially or at least partially periodic, which means above all that it is regular in terms of time.
  • Periodic oscillations in particular viewed over a number of periods, can preferably be described by the oscillation mode.
  • the vibration mode is preferably a form of description of certain temporally stationary properties of a vibration.
  • Different vibration modes differ in particular in the spatial distribution of the vibration intensity, with the form of the vibration modes preferably being determined by boundary conditions under which the vibration propagates.
  • These boundary conditions can B. by the material, the dimensions and / or the storage of the oscillatable structure and at least one force vector acting on the structure (comprising preferably the nominal size and / or the direction of the acting force).
  • an oscillating cantilever it can e.g. B. give several bending vibration modes, in which the cantilever moves along a preferred direction, z. B. deflects perpendicular to a plane of the suspension of the cantilever, which can differ in particular in the vibration frequency, the maximum vibration amplitude and in its spatial occurrence.
  • a bending vibration mode is characterized in particular in that the vibration describes a dynamic bending process in the direction essentially of a normal to a main plane of the cantilever or the vibratory structure.
  • modes of vibration e.g. B. a torsional mode, which describes an oscillation in the form of a periodic torsional movement of the structure along an axis.
  • An oscillation preferably takes place in an oscillation mode.
  • An example of a complex vibrational mode is the rooftile-shaped vibrational vibrational mode, e.g. a cantilever, in which the cantilever oscillates between imbricated states of deformation.
  • the piezoelectric actuator is preferably also suitable for exciting such vibrations, since it is configured for active vibration stimulation of the structure.
  • the actuator should therefore be suitable for transferring a force generated by it to the structure, e.g. B. by communicating with the structure in a way that enables power transmission.
  • the structure can also at least partially include the actuator itself, for example if the actuator is present as a piezoelectric layer in the oscillatable structure (eg a membrane or a bending beam).
  • the force itself should be suitable for triggering the oscillations.
  • This preferably means that the force is periodic and preferably essentially has the frequency of the vibrations of the structure to be generated and is suitable for causing the structure to vibrate, preferably in a vibration mode.
  • the structure has elastic properties which support vibrations in particular along at least one direction and/or at at least one location or region of the structure. These elastic properties can preferably be described by at least one spring constant.
  • the structure preferably also has a mass, which also determines the vibration properties. It can be the case, for example, that the actuator only generates a periodic, active force for a deflection in one direction and the structure, due to its restoring force, causes the deflection in the opposite direction, from which the vibration arises overall.
  • an actuator preferably converts an electrical control signal into a movement.
  • An actuator is preferably a piezoelectric actuator and generate a periodic force for vibration excitation due to the piezoelectric effect when z. B. an electrical control signal in the form of an electrical voltage with a periodic time course is applied to the actuator.
  • the actuator can be an external element that mechanically transmits an excitation force to the structure.
  • the actuator is preferably comprised by the structure and generates e.g. B. within this the force for mechanical vibration excitation.
  • the electrical signals for exciting the oscillatable structure are preferably generated by the processor.
  • the oscillating behavior of the oscillatable structure is determined by physical properties of the structure and/or the piezoelectric actuator. Individual vibration responses ( response ) to exciting electrical signals ( challenges ) can thus provide information about a cryptographic key, which is determined by the physical properties of the piezoelectric resonator.
  • the piezoelectric resonator comprises a piezoelectric membrane.
  • a membrane is preferably a thin, flat structure with a circumference in z.
  • the membrane is preferably mounted so that it can swing at least in certain areas along the circumference.
  • a piezoelectric membrane is preferably a membrane that includes a piezoelectric actuator.
  • the membrane comprises at least one piezoelectric material which, due to its properties and/or the arrangement within the membrane, with suitable electrical activation by an electrical signal, leads to an oscillation which depends on the physical properties of the piezoelectric membrane.
  • the piezoelectric resonator comprises a piezoelectric cantilever.
  • a cantilever or synonymously, a bending beam, is preferably a spatially extended, in particular elongate element, which is mounted so as to be able to oscillate along at least one side and is otherwise preferably free-standing.
  • a cantilever can e.g. B. have the shape of a flat, elongated cuboid, the thickness of which is significantly smaller compared to the transverse and longitudinal extent, with the transverse extent preferably being smaller than the longitudinal extent. Beams that can oscillate on one side (cantilever) are preferred. However, a bending beam that is mounted so that it can swing on both sides or on more than one side can also be preferred.
  • a piezoelectric beam is preferably a cantilever that includes a piezoelectric actuator.
  • the cantilever comprises at least one piezoelectric material which, due to its properties and/or the arrangement within the cantilever, when suitably controlled electrically by an electrical signal, leads to an oscillation which depends on the physical properties of the piezoelectric cantilever.
  • the piezoelectric beam or the piezoelectric membrane preferably has at least one contact for receiving electrical signals from the processor, preferably in the form of at least one electrode to which an electrical signal is present.
  • a piezoelectric bar or a piezoelectric membrane particularly preferably comprises at least two electrodes.
  • a piezoelectric material is preferably a material capable of exhibiting a piezoelectric effect.
  • Non-limiting examples are lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AIN) or zinc oxide (ZnO).
  • the piezoelectric effect preferably describes the deformation of a material when an electrical voltage and/or an electrical field is applied (inverse piezoelectric effect), as a result of which a force can be exerted in particular through the material.
  • the piezoelectric effect preferably also describes the change in the electrical polarization and thus preferably the occurrence of an electrical voltage and/or a change in the impedance of a solid when it is elastically deformed (direct piezo effect).
  • the deformation of a piezoelectric structure preferably depends in particular on the electrical polarization within the structure and can preferably e.g. be influenced by the arrangement of the electrodes. As a result, the vibration mode of the structure can preferably be influenced.
  • the beam can preferably be a unimorph or monomorph cantilever, which preferably comprises an active layer and an inactive or passive layer.
  • an active layer preferably designates a piezoelectric layer in which a force or a deformation is triggered by an applied electrical field, in particular by applying an electrical control voltage.
  • This force or deformation preferably produces a bending and/or a deformation of the beam, which can preferably trigger an active oscillation by means of a periodic electrical control signal.
  • the inactive layer preferably comprises a non-piezoelectric material, which can be a mechanical support material. It is preferred that the active layer and the inactive layer interact in such a way that a resultant force is generated due to the applied control voltage, which causes a deflection of the beam, which preferably causes an oscillation given a periodicity of the electrical signal.
  • the inactive layer also comprises a piezoelectric material, which, however, is not electrically contacted and/or controlled by an electrical signal, to which advantageously no electrical signal is applied and which, in particular, does not experience an external electrical field that internal force and/or a deformation due to the indirect piezoelectric effect of the inactive layer.
  • the cantilever can preferably be a bimorph cantilever, which preferably comprises at least two active layers.
  • an inactive layer can preferably be present between the at least two active layers. It is preferred that when an electrical voltage is applied, one active layer contracts while the second active layer expands, as a result of which bending of the cantilever is advantageously achieved, which is increased in particular compared to a unimorph cantilever, ie z. B. has a larger amplitude at the same applied voltage.
  • the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure, the oscillatable structure, preferably a cantilever and/or a membrane, two electrodes and a piezoelectric intermediate layer made of a material selected from the group containing lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AIN) or zinc oxide (ZnO).
  • PZT lead zirconate titanate
  • AIN aluminum nitride
  • ZnO zinc oxide
  • the two electrodes can preferably be arranged next to one another on one surface of the cantilever or a membrane, e.g. above or below, and/or on opposite surfaces of the cantilever or a membrane, above and below. At least one electrode can also be arranged inside, for example in an intermediate layer of the cantilever or membrane.
  • the material and/or arrangement of the electrodes are preferably selected for the desired vibration properties or the desired vibration modes.
  • microsystems technology is used in many fields of application for the manufacture of compact, mechanical-electronic devices.
  • the microsystems that can be produced in this way are very compact (micrometer range) with excellent functionality and ever lower production costs.
  • the piezoelectric resonator is designed as a MEMS component, particularly preferably a MEMS cantilever or a MEMS membrane.
  • the piezoelectric MEMS resonator preferably includes a piezoelectric MEMS actuator, which is preferably produced using standard production methods of microsystems technology and also advantageously has dimensions in the order of ⁇ m.
  • a piezoelectric MEMS actuator which is particularly compact, robust and low-maintenance and can be produced easily and inexpensively.
  • the preferably oscillatable structure of the resonator which is excited to oscillate by the actuator, can also be a MEMS element, which means that the oscillatable structure and actuator can preferably be produced in one process and are kept compact. Desirably, parts of the same substrate can be used for production. This simplifies and reduces the cost of manufacture.
  • CMOS-compatible materials can preferably be used to produce the piezoelectric resonators, so that inexpensive and mass-produced methods can be used to provide the PUF elements using CMOS technology.
  • the piezoelectric resonator and/or the processor is formed on a substrate, preferably selected from the group consisting of monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide and glass.
  • a piezoelectric resonator preferably a piezoelectric cantilever and/or a piezoelectric membrane on a substrate.
  • the following steps can be used for this, for example: etching a substrate, formation of a structure, optional application of an etching stop, application of one or more layers. wherein at least a first layer may comprise a piezoelectric actuator material and a second layer may comprise a mechanical support material or both two layers comprise an actuator material, contacting the first and/or second layer with an electrode, etching and optionally removing the etch stop.
  • a substrate z. B As a substrate z. B. one of the preferred materials mentioned above can be used. With etching, a blank, for example a wafer, can be brought into the desired basic shape. In a next step, the layers for an oscillatable structure, e.g. a bending beam or a membrane, are preferably applied.
  • an oscillatable structure e.g. a bending beam or a membrane
  • the application can preferably be selected from the group consisting of physical vapor deposition (PVD), in particular thermal vaporization, laser beam vaporization, arc vaporization, molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) and/or atomic layer deposition (ALD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • ALD atomic layer deposition
  • the application can, for example, be a deposition, e.g. in the case of a polysilicon substrate.
  • Etching and/or structuring can preferably be selected from the group comprising dry etching, wet-chemical etching and/or plasma etching, in particular reactive ion etching, reactive ion deep etching (Bosch process).
  • suitable material such as e.g. B. copper, gold and / or platinum are deposited by common processes.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • electrochemical deposition can preferably be used for this.
  • piezoelectric resonators can be provided as PUF elements with dimensions in the micrometer range.
  • the production steps are part of standard process steps in semiconductor processing, so that they have proven themselves and are also suitable for mass production.
  • the processor for sending and/or receiving electrical signals can preferably be integrated on the same substrate using known semiconductor processing.
  • the PUF element and the processor cannot be physically separated, as a result of which security is further increased.
  • the piezoelectric resonator as a PUF element on a substrate that is separate from the processor and then to connect the two components by electrical contacting.
  • the cryptographic key which is defined by the physical properties of the PUF element, depends on an oscillation response of the piezoelectric resonator to an oscillation excitation.
  • a cryptographic key preferably designates information which is suitable for parameterizing or controlling a cryptographic method.
  • the cryptographic key is preferably defined by those physical properties of the piezoelectric resonator which specify its vibration response to vibration excitation. These include, for example, an extent, thickness, elasticity or material composition of an oscillatable structure of the piezoelectric resonator.
  • an oscillating structure and a piezoelectric actuator for driving forced oscillations which are specified, among other things, by resonance frequencies (or natural frequencies) of the structure, damping properties of the structure or a fluid in its environment.
  • resonance frequencies or natural frequencies
  • the exact vibration response or the characteristic resonance spectrum of a piezoelectric resonator cannot be readily predicted even if the process parameters are known.
  • a periodic force action along one direction which is easy to describe, can also generate significantly more complex vibration patterns, which depend on the exact physical process parameters. It is therefore very difficult to predict a vibrational response or return from a vibrational excitation or input (challenge).
  • the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure and the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, are selected from the group containing geometric dimensions of the oscillatable structure, for example length, height and/or thickness of a piezoelectric beam or membrane thickness of a piezoelectric membrane, elasticity, layer thickness and/or composition of a piezoelectric material of the oscillatable structure.
  • the characteristic resonance spectrum and the vibration response of the piezoelectric resonator to a vibration excitation are particularly sensitive with regard to the aforementioned physical properties.
  • the preferred physical properties preferably contribute significantly to the desired provision of PUF elements with individual resonance properties.
  • tolerance ranges for the physical properties can be specified as process parameters during production, thus opening up targeted optimization of the PUF elements for various applications.
  • the physical properties of the piezoelectric resonator which define the cryptographic key of the PUF element, are defined during the manufacturing process and, as random variables, fall within a specified tolerance range for the manufacturing process.
  • Tolerance ranges for specific physical properties are preferably defined for the production process of piezoelectric resonators. For example, a tolerance range of 15% or less, preferably 10% or less, can be specified for the layer thickness of a bending beam or a membrane.
  • the physical properties of the manufactured components are statistically distributed within the tolerance ranges.
  • individual components with statistically distributed physical properties are accordingly obtained.
  • the piezoelectric resonators are used as PUF elements according to the invention, the statistical distribution requires physical properties (for example a layer thickness), cryptographically relevant values with regard to the PUF elements, such as entropy, intra-Hamming distance or inter-Hamming distance.
  • the tolerance ranges within the manufacturing processes can thus be used to optimize the statistical properties of the PUF elements in order to ensure the most secure authentication or identification methods possible.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • TCF compensation layers during production ( in-fabrication ) or thin film deposition or localized mass deposition after completion ( post-fabrication ) can have a targeted influence on tolerance ranges for physical properties of the resonators (such as eg the layer thickness).
  • the physical properties of the piezoelectric resonator can also be influenced during operation of a PUF element.
  • the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element can also be influenced by a tuning unit, the tuning unit being an electrostatic tuning unit, a magnetostatic tuning unit and/or a thermal tuning unit.
  • ambient parameters for the piezoelectric resonator as a PUF element can be changed in a targeted manner, which influence the vibration or resonance behavior.
  • An electrostatic tuning unit can preferably include an adjustable capacitor, by means of which the electrostatic field in which the piezoelectric resonator is located can be varied.
  • the electrical properties of the piezoelectric materials can be changed by varying the electric field, so that the resonance spectrum is additionally modified (Lancaster et al. 1998).
  • a magnetostatic tuning unit can preferably have an adjustable electromagnet. If the piezoelectric resonator or its oscillatable structure has ferromagnetic materials or is mixed with magnetic particles, the variation of an external magnetic field can exert additional mechanical stress on the oscillatable structures and thus additionally modify the resonance spectrum (Maya et al. 1995).
  • a thermal tuning unit may preferably include a heating element, optionally together with a temperature sensor, to control the ambient temperature of the piezoelectric resonator, which can also affect the resonance behavior.
  • the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure and the system has a measuring unit for measuring the oscillation properties of the oscillatable structure.
  • the measuring unit is preferably suitable for measuring the vibration properties and in particular for measuring a time profile of the vibration properties.
  • the vibrational properties of the structure or their progression over time preferably represent vibrational responses (response) to exciting electrical signals (challenges), by means of which, as described, information about the cryptographic key can be recorded.
  • the vibration properties preferably relate to the vibration amplitude, the vibration frequency, the vibration mode, the vibration phase (eg compared to a periodic excitation signal which is applied by the processor), the vibration intensity or a damping of the vibration.
  • Vibration properties of the structure can preferably be measured by measuring the deflection of the structure at at least one location and/or at least one area of the structure, with the deflection being considered over at least one oscillation period, preferably several oscillation periods.
  • Different components can be used to measure the vibration properties.
  • the system comprises an electrical measuring unit, preferably for measuring the vibration properties of the oscillatable structure of the piezoelectric resonator by an impedance measurement and/or a capacitive measurement.
  • An impedance describes in particular the ratio of an electrical voltage to an electrical current, with sinusoidal voltages and currents in particular being used as a basis and the impedance preferably including information about the ratio of the amplitudes of the voltages and currents and about their phase relationship to one another.
  • the impedance can preferably be measured on the structure, in particular on the electrodes, which is dependent on the vibration properties due to the deformation of the structure and its piezoelectric properties.
  • this impedance can preferably also be read off at the electrodes on which an electrical (control) signal for exciting the oscillation is present.
  • the voltage of the control signal is preferably superimposed with a due the deformation and/or the vibration properties and their influence on the impedance of the measurable voltage or current.
  • This voltage and/or this current preferably has a different amplitude and/or phase shift in relation to the exciting control signal, which can be measured, for example by using a lock-in technique with the aid of a lock-in amplifier.
  • An electrical signal proportional to the electrical control signal can be present as a reference at the input of the lock-in amplifier and the impedance of the oscillatable structure can be measured in comparison to the reference signal by the lock-in amplifier, preferably using further electronic components. In this way, statements can be made in particular about the phase relationship of the impedance to the reference signal and/or the amplitude of the impedance, which enables the vibration properties of the structure to be determined.
  • an impedance at additional electrodes can also be preferred to measure an impedance at additional electrodes to which no electrical control signal is present at the same time.
  • a current and/or a voltage can be measured there, which is suitable for measuring the vibration properties of the structure.
  • An electrical measuring unit can preferably also be used for a capacitive measurement of the oscillatable structure.
  • a capacitive measurement includes in particular a measurement of an electrical capacitance.
  • the oscillatable structure for such a measurement can have at least one (resonating) electrode, with z. B. a capacitance is measured between this electrode and an electrode not resonating with the structure.
  • a distance between the electrodes which is dependent on the vibration behavior, and consequently their capacitance or a voltage that can be measured between the electrodes and/or an impedance of a capacitor formed by the electrodes, which z. B. can be measured by applying an alternating current and / or an AC voltage.
  • Such electrical measuring units can be integrated inexpensively and directly on the same chip as the piezoelectric resonator or the processor.
  • the system comprises an optical measuring unit, preferably comprising a photon emitter and a photodetector, the photon emitter being aligned with the oscillatable structure in such a way that the Photodetector, the vibration properties of the oscillatable structure can be measured.
  • an optical measuring unit preferably comprising a photon emitter and a photodetector, the photon emitter being aligned with the oscillatable structure in such a way that the Photodetector, the vibration properties of the oscillatable structure can be measured.
  • the light or photon beam emitted by the photon emitter is aligned with the oscillatable structure, so that its radiation is preferably essentially or partially reflected by the structure.
  • the spectrum of the emission of the photon emitter and/or the surface of the oscillatable structure, on which the reflection takes place can be tuned so that the beam is essentially or at least partially reflected.
  • the photon emitter, photodetector and/or the structure are preferably aligned with one another in such a way that the beam reflected by the structure is essentially or partially absorbed in a detection surface of the photon detector and is preferably converted by the detector into a measurable and/or readable electrical or electronic signal which allows statements about the vibrational properties of the structure.
  • Terms such as essentially, approximately, about, approx. etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 20%, preferably less than ⁇ 10%, particularly preferably less than ⁇ 5%, even more preferably less than ⁇ 3% and in particular less than ⁇ 1%. Similarly, preferred describes sizes that are approximately the same. Partially describes preferably at least 5%, more preferably at least 10%, and especially at least 20%, in some cases at least 40%.
  • the optical measuring unit comprises further optical elements, such as a beam splitter and the photon emitter is a laser or a laser diode, so that the vibration properties of the structure can be read out by the optical measuring unit, for example via an interferometric measurement.
  • optical elements such as a beam splitter and the photon emitter is a laser or a laser diode, so that the vibration properties of the structure can be read out by the optical measuring unit, for example via an interferometric measurement.
  • a partial beam reflected on the structure can be superimposed with a partial beam not reflected on the structure, with both partial beams being essentially or partially coherent with one another and interfering with one another.
  • the system has at least one further sensor for determining environmental parameters, such as a temperature sensor, an air pressure sensor or a humidity sensor, in addition to a measuring unit for measuring the vibration response.
  • environmental parameters such as a temperature sensor, an air pressure sensor or a humidity sensor
  • Ambient parameters such as temperature
  • the additional measurement data on the environmental parameters can advantageously flow into error correction methods, so that particularly secure keys can be generated in a robust manner.
  • the PUF element comprises two or more piezoelectric resonators which are connected to one another in series or in parallel.
  • the output of a piezoelectric resonator can preferably be used as the input of a further piezoelectric resonator in order in this way to generate cryptographic keys which are linked to one another and which can be organized in a key ring .
  • the coupling between the two or more piezoelectric resonators is electrical.
  • a first piezoelectric resonator can be excited to oscillate by means of an electrical signal from the processor, as described, and thereby generate an electrical output signal.
  • the electrical output signal of the first resonator can preferably be used as an electrical (input) signal for exciting a second piezoelectric resonator.
  • the output signal obtained from the entire PUF element therefore corresponds to a concatenation of two or more resonators, so that a particularly complex cryptographic key can be provided.
  • the PUF element is constructed in such a way that the vibration response of a first resonator is used as a mechanical input for a subsequent resonator in the chain.
  • the system includes a communications interface coupled to the processor configured to receive a challenge and send a response from an external entity, the processor configured to generate a response in response to the challenge , which depends on the physical properties of the PUF element.
  • the communication interface can be a standardized interface for exchanging data, such as Bluetooth, Lightning, USB, WLAN, etc. However, it can also be an interface developed individually for the system.
  • the interface can be wireless or wired.
  • the response generated by the processor is preferably specified by measuring the vibration response(s) of the piezoelectric resonator as a function of one or more exciting electrical signals (challenges).
  • the measurement data on the vibration response can preferably be sent directly by the processor via the communication interface to generate the cryptographic key be forwarded to the external entity.
  • the processor can also be preferable for the processor to preprocess the measurement data on the vibration response before forwarding it. Error correction methods for providing particularly reliable keys, for example for noise suppression in the measurement data, can therefore preferably be carried out on the processor and/or the external entity.
  • the processor creates a challenge-response database based on an input of the PUF during manufacture and testing of the system.
  • the challenge-response database preferably includes a plurality of challenges and a plurality of responses, each challenge preferably being associated with at least one response from the plurality of responses.
  • the communications interface communicates the multitude of challenges into the processor and the multitude of responses out of the processor.
  • a PUF-based database obtained in this way for the challenge-response, which was created during the production and testing of the system, allows a particularly secure method for authentication and/or determination of the identity of an object to be used.
  • the object can preferably be an electronic device or a processor itself.
  • a challenge is first received from a trusted entity during a trusted transaction, and accordingly a response is generated in response to the challenge based on an input signal based on the PUF element.
  • the response is delivered to the trusted entity.
  • the trusted entity authenticates the object or establishes an identity by comparing the response to a challenge-response database based on the PUF.
  • a confirmation signal can be output to the object or the electronic device.
  • the invention relates to an electronic device comprising a described system for authentication and/or establishing the identity of the electronic device.
  • the invention relates to the use of a piezoelectric resonator as a physically unclonable function (PUF) for authentication and/or determination of the identity of an object, preferably an electronic device.
  • PAF physically unclonable function
  • the method for authentication is used in a challenge-response method, with the processor preferably receiving a challenge from an external entity and, depending on the challenge, sending electrical signals to the PUF element and electrical signals from the PUF element as an answer to the challenge and based on this generates a response, which is transmitted to the external entity.
  • both embodiments of a piezoelectric resonator are suitable as a PUF element which is configured to generate a cryptographic key, the cryptographic key being determined by the physical properties of the PUF element and preferably by an oscillation response of the piezoelectric resonator to an oscillation excitation depends.

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Abstract

Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein System zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis einer physisch unklonierbaren Funktion (PUF) umfassend ein PUF-Element, welches einen piezoelektrischen Resonator aufweist. Das PUF-Element dient der Generation eines kryptographischen Schlüssels, welcher von den physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators abhängt. Das System umfasst darüber hinaus einen Prozessor, welcher durch Senden und/oder Empfangen elektrische Signale Informationen über den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes erhält und auf Basis der Information eine Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes durchführt. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein elektronisches Gerät umfassend ein solches PUF-Element, eine Verwendung von piezoelektrischen Resonator als physisch unklonierbare Funktionen sowie Verfahren zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis eines PUF-Elementes, welches einen piezoelektrischen Resonator umfasst.In a first aspect, the invention relates to a system for authentication and/or determination of the identity of an object on the basis of a physically unclonable function (PUF) comprising a PUF element which has a piezoelectric resonator. The PUF element is used to generate a cryptographic key that depends on the physical properties of the piezoelectric resonator. The system also includes a processor, which receives information about the cryptographic key of the PUF element by sending and/or receiving electrical signals and carries out an authentication and/or determination of the identity of an object on the basis of the information. In further aspects, the invention relates to an electronic device comprising such a PUF element, the use of piezoelectric resonators as physically unclonable functions, and methods for authenticating and/or determining the identity of an object based on a PUF element which comprises a piezoelectric resonator.

Description

Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein System zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis einer physisch unklonierbaren Funktion (PUF) umfassend ein PUF-Element, welches einen piezoelektrischen Resonator aufweist. Das PUF-Element dient der Generation eines kryptographischen Schlüssels, welcher von den physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators abhängt. Das System umfasst darüber hinaus einen Prozessor, welcher durch Senden und/oder Empfangen elektrische Signale Informationen über den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes erhält und auf Basis der Information eine Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes durchführt. In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein elektronisches Gerät umfassend ein solches PUF-Element, Verwendungen von piezoelektrischen Resonatoren als physisch unklonierbare Funktionen sowie Verfahren zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis eines PUF-Elementes, welches einen piezoelektrischen Resonator umfasst.In a first aspect, the invention relates to a system for authentication and/or determination of the identity of an object on the basis of a physically unclonable function (PUF) comprising a PUF element which has a piezoelectric resonator. The PUF element is used to generate a cryptographic key, which depends on the physical properties of the piezoelectric resonator. The system also includes a processor, which receives information about the cryptographic key of the PUF element by sending and/or receiving electrical signals and carries out an authentication and/or determination of the identity of an object on the basis of the information. In further aspects, the invention relates to an electronic device comprising such a PUF element, uses of piezoelectric resonators as physically unclonable functions and methods for authenticating and/or determining the identity of an object based on a PUF element which comprises a piezoelectric resonator.

Hintergrund und Stand der TechnikBackground and prior art

Im Stand der Technik ist es bekannt, physisch unklonierbare Funktionen (PUFs) insbesondere zur Unterscheidung von integrierten Schaltkreisen (ICs) bzw. Chips zu verwendet werden.It is known in the prior art to use physically unclonable functions (PUFs), in particular to differentiate between integrated circuits (ICs) or chips.

Eine PUF ist insbesondere durch die Eigenschaft einer physische Unklonierbarkeit gekennzeichnet und hat als solche Ähnlichkeit zu biometrischen Merkmalen, wie Fingerabdrücke, Iris, Gesichtsgeometrie etc. Die physische Unklonierbarkeit meint bevorzugt, dass die Herstellung eines physischen Klons einer PUF extrem schwierig oder unmöglich ist.A PUF is characterized in particular by the property of being physically unclonable and as such has similarity to biometric features such as fingerprints, irises, facial geometry etc. Physical unclonable means preferably that the creation of a physical clone of a PUF is extremely difficult or impossible.

Die Anwendungen für PUFs zur Identifikation und/oder Authentifizierung sind weitreichend und umfassen u.a. eine Erhöhung der Fälschungssicherheit von Produkten,, Implementationen in Multi-Faktor-Authentifizierungen, um den Zugang zu einem Computersystem oder Online-Netzwerken ermöglichen usw.The applications for PUFs for identification and/or authentication are wide-ranging and include increasing the security of products against counterfeiting, implementations in multi-factor authentication to enable access to a computer system or online networks, etc.

Insbesondere im Hinblick auf die verbreitete Verwendung von mobilen Geräten für alltägliche Aufgaben vom Einkauf bis zu finanziellen Transaktionen haben PUFs ein großes Potential. Häufig werden hierfür Passwörter eines Benutzers oder Authentifizierungs-Token für den Benutzer auf dem Gerät selbst gespeichert. Aufgrund der vielfältigen Nutzung mobiler Geräte in teilweise unsicherer Umgebung, besteht ein erhöhtes Bedrohungspotential, bei dem sich eine Unberechtigter einen Zugang zu vertraulichen Informationen verschaffen kann.Especially with the widespread use of mobile devices for everyday tasks from shopping to financial transactions, PUFs have great potential. This is often done by storing a user's passwords or authentication tokens for the user on the device itself. Due to the diverse use of mobile devices in partially insecure environments, there is an increased Potential threat where an unauthorized person can gain access to confidential information.

Zur Erhöhung der Sicherheit ist es in mobilen Systemen bekannt, einen geheimen Schlüssel in einen EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) oder einen SRAM (static random-access memory) zu speichern. Mittels kryptographischer Operationen wie digitaler Signaturen kann der geheime Schlüssel als Authentifizierungsquelle genutzt werden. Nachteilig bei der Verwendung von einem EEPROM oder SRAM sind die Kosten, der erhöhte Strombedarf, sowie die Anfälligkeit nichtflüchtiger Speicher für invasive Angriffsmechanismen (Herder et al. 2014).To increase security, it is known in mobile systems to store a secret key in an EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory) or in an SRAM (static random-access memory). The secret key can be used as an authentication source by means of cryptographic operations such as digital signatures. The disadvantages of using an EEPROM or SRAM are the costs, the increased power requirement and the susceptibility of non-volatile memories to invasive attack mechanisms (Herder et al. 2014).

PUFs stellen in dieser Hinsicht eine vielversprechende Alternative dar, da der geheime Schlüssel nicht in einem digitalen Speicher vorliegt, sondern von physikalischen Eigenschaften der PUFs abgeleitet werden kann.In this respect, PUFs represent a promising alternative, since the secret key is not stored in digital memory, but can be derived from the physical properties of the PUFs.

Zur Implementation von PUFs gibt es im Stand der Technik verschiedenen Ansätze.There are various approaches in the prior art for implementing PUFs.

Frühe Arbeiten von Pappu et al. 2002 schlagen ein optisches System zur Implementierung einer physical one way function vor. Ein Laser wird auf ein stationäres Streumedium gerichtet und kann lateral bewegt werden. Zudem kann die Polarisation des Lasers modifiziert werden. Das aus der Streuung austretenden Laserlicht wird als "Speckle"-Muster detektiert und ist aufgrund einer Mehrfachstreuung stark abhängig von der Position sowie Polarisation des Lasers. Durch ein solches System kann ein starkes PUF-Element bereitgestellt werden, da es sehr schwierig bis nahezu unmöglich ein identisches Streumedium zu reproduzieren, um bei einer challenge (Laserposition bzw. Polarisation) die erwarte response (Speckle-Muster) zu erhalten. Dieser Arbeit folgten ähnliche Ansätze, welche auf der Erzeugung charakteristischer Speckle Mustern in zufällig angeordneten Materialien wie Papier, Glasdiffusern oder Phosphormustern basieren (Buchanan et al. 2005, Rührmaier et al. oder Chong et al. 2008).Early work by Pappu et al. 2002 propose an optical system for implementing a physical one way function . A laser is directed onto a stationary scattering medium and can be moved laterally. In addition, the polarization of the laser can be modified. The laser light emerging from the scattering is detected as a "speckle" pattern and is strongly dependent on the position and polarization of the laser due to multiple scattering. A strong PUF element can be provided by such a system, since it is very difficult or almost impossible to reproduce an identical scattering medium in order to obtain the expected response (speckle pattern) in the event of a challenge (laser position or polarization). This work was followed by similar approaches based on the generation of characteristic speckle patterns in randomly arranged materials such as paper, glass diffusers or phosphor patterns (Buchanan et al. 2005, Rührmaier et al. or Chong et al. 2008).

WO 2007/046018 A1 beschreibt eine optische PUF mit einem kombinierten Sensor und einem Display. Einfallendes Licht wird durch ein Lichtstreuelement gestreut, welches aus einem Material besteht, das zufällig verteilte lichtstreuende Partikel enthält, so dass ein zufälliges Speckle-Muster erzeugt wird. Durch Einbeziehung reflektierender Bildelemente in das Gerät, soll ermöglicht werden, dass die angewandten challenges durch Aktivieren und Abschalten der Bildelemente modifiziert werden, WO 2007/046018 A1 describes an optical PUF with a combined sensor and display. Incident light is scattered by a light scattering element made of a material containing randomly distributed light scattering particles to create a random speckle pattern. By incorporating reflective image elements into the device, it aims to allow the applied challenges to be modified by turning the image elements on and off,

Während optische PUFs für überaus sichere Authentifizierungssysteme verwandt werden können, ist die technische Implementation aufwändig und kostenintensiv. Zudem ist das physisch unklonierbare Element, z.B. das lichtstreuende Material, von einer Messeinrichtung bzw. einem digitalen Messprozess separierbar. Sofern die PUF zur Authentisierung eines assoziierten Prozessors bzw. integrierten Schaltkreis (IC) genutzt werden soll, bedingt dieser Umstand ein intrinsisches Risiko.While optical PUFs can be used for extremely secure authentication systems, the technical implementation is complex and expensive. In addition, the physically unclonable element, for example the light-scattering material, can be separated from a measuring device or a digital measuring process. If the PUF to Authentication of an associated processor or integrated circuit (IC) is to be used, this circumstance causes an intrinsic risk.

Ein alternativer, im Stand der Technik verbreiteter Ansatz basiert auf der Integration von PUF-Elementen in den IC bzw. Prozessorstruktur selbst mittels konventioneller complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) Technologie.An alternative approach that is widespread in the prior art is based on the integration of PUF elements in the IC or processor structure itself using conventional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology.

Gassend et al. beschreiben 2002 die Integration eines halbleiterbasierten PUF-Elementes in einen konventionellen IC, wofür eine herstellungsbedingte Variabilität von Gate-Verzögerungen als unklonierbare physische Größe genutzt wird. Einen ähnlichen Ansatz verfolgend schlagen Lee et al 2004 ein PUF-Element als Schiedsrichter-PUF (engl. arbiter PUF) vor, wobei im Schaltkreis eine Rennsituation zwischen mindestens zwei digitalen Wegen eingeführt wird. Sofern die mindestens zwei digitalen Wege nominal den gleichen Verzug haben, kann auf Basis des Designs der Schaltkreise alleine keine Aussage über den Ausgang des Rennens getroffen werden. Vielmehr wird der Ausgang von Verzögerungsparametern für die beteiligten Halbleiterelemente bestimmt, welche herstellungsbedingt zufällig verteilt sind.Gassend et al. describe in 2002 the integration of a semiconductor-based PUF element into a conventional IC, for which a manufacturing-related variability of gate delays is used as an unclonable physical quantity. Following a similar approach, Lee et al 2004 propose a PUF element as an arbiter PUF , where a racing situation between at least two digital paths is introduced in the circuit. If the at least two digital paths have the same nominal delay, no statement can be made about the outcome of the race based on the design of the circuits alone. Rather, the output is determined by delay parameters for the semiconductor elements involved, which are randomly distributed due to production.

Eine alternative Variante von halbleiterbasierten PUFs, welche zufällig verteilte Verzögerungen innerhalb der Elemente eines Schaltkreises ausnutzen, sind sogenannte Ringoszillator-PUFs (vgl. u.a. Suh et al. 2007). Die Quelle der Zufälligkeit ist auch bei Ringoszillatoren der unkontrollierbare Effekt von Siliziumprozessvariationen auf die Verzögerung der digitalen Komponenten.An alternative variant of semiconductor-based PUFs, which exploit randomly distributed delays within the elements of a circuit, are so-called ring oscillator PUFs (cf. Suh et al. 2007, among others). The source of randomness in ring oscillators, too, is the uncontrollable effect of silicon process variations on the delay of the digital components.

Wenn die Komponenten einen Ringoszillator bilden, wird die Frequenz der Schwingung entsprechend zufällig beeinflusst. Eine Ringoszillator-PUF-Konstruktion umfasst zumeist sowohl Ringoszillatoren als Verzögerungsschleifen sowie Frequenzzähler zum Auslesen der Verzögerung. Typischerweise werden eine Vielzahl von identischen Ringoszillatoren in einen field programmable array (FPGA) oder eine application-specific integrated circuit (ASIC) integriert.If the components form a ring oscillator, the frequency of the oscillation will be randomly affected accordingly. A ring oscillator PUF design most often includes both ring oscillators as delay loops and frequency counters to read out the delay. Typically, a large number of identical ring oscillators are integrated into a field programmable array (FPGA) or an application-specific integrated circuit (ASIC).

Beide Varianten (arbiter PUF und ring oscillator PUF) zeichnen sich durch die Möglichkeit einer unmittelbaren Integration der PUF in Halbleiterschaltkreise aus, wobei vorteilhaft konventionelle CMOS-Prozesse genutzt werden können. Zum einen erleichtert dies die Herstellung, da im Gegensatz zu optischen PUFs keine zusätzlichen Prozesstechniken eingeführt werden müssen. Zudem erhöht die Möglichkeit der unmittelbaren Integration der PUFs in einen zu authentisierenden IC bzw. Prozessor die Sicherheit, da eine Trennung von PUF und zu authentisierendem Objekt nicht möglich ist.Both variants ( arbiter PUF and ring oscillator PUF ) are distinguished by the possibility of direct integration of the PUF into semiconductor circuits, with conventional CMOS processes being advantageously able to be used. On the one hand, this simplifies production because, in contrast to optical PUFs, no additional process technologies have to be introduced. In addition, the possibility of directly integrating the PUFs into an IC or processor to be authenticated increases security, since it is not possible to separate the PUF and the object to be authenticated.

Nachteilig an den bekannten PUFs ist es jedoch, dass in der Regel komplexe und spezifischen Halbleiterschaltungen benötigt werden, um aufgrund der geringen Entropie der Technologie eine ausreichende Verteilung zu erzielen, mit der Modellierungsangriffe ausgeschlossen werden können.However, a disadvantage of the known PUFs is that, as a rule, complex and specific semiconductor circuits are required, due to the low entropy of the technology to achieve a sufficient distribution with which modeling attacks can be ruled out.

Im Lichte des Standes der Technik besteht mithin ein Bedarf an alternativen oder verbesserten PUF-Elementen für Verfahren zur Authentifizierung oder Feststellung der Identität von Objekten.Thus, in light of the prior art, there is a need for alternative or improved PUF elements for methods of authenticating or establishing the identity of objects.

Aufgabe der Erfindungobject of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein PUF-Element bzw. ein System umfassend eine solches PUF-Element bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein PUF-Element bzw. ein System umfassend ein solches PUF-Element bereitzustellen, welches hochsichere kryptografische Schlüssel, beispielsweise zur Identifikation von Produkten oder Prozessoren codieren kann und sich gleichzeitig durch einen einfachen Aufbau, ein robustes Ausleseverfahren sowie ein kostengünstiges, massentaugliches Herstellungsverfahren auszeichnet.The object of the invention is to provide a PUF element or a system comprising such a PUF element which eliminates the disadvantages of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide a PUF element or a system comprising such a PUF element, which can encode highly secure cryptographic keys, for example for the identification of products or processors, and at the same time is characterized by a simple structure, a robust reading method and a cost-effective, mass-produced manufacturing process.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is solved by the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are described in the dependent claims.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung bevorzugt ein System zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis einer physisch unklonierbaren Funktion (PUF) umfassend

  1. a. ein PUF-Element, wobei das PUF-Element dafür konfiguriert ist, einen kryptographischen Schlüssel zu erzeugen, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt und
  2. b. einen Prozessor, welcher mit dem PUF-Element verbunden ist und dafür konfiguriert ist, durch Senden und/oder Empfangen elektrische Signale Informationen über den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes zu erhalten und auf Basis der Information eine Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes durchzuführen
und wobei das PUF-Element einen piezoelektrischen Resonator umfasst.In a first aspect, the invention preferably relates to a system for authentication and/or establishing the identity of an object based on a physically unclonable function (PUF).
  1. a. a PUF element, the PUF element being configured to generate a cryptographic key which depends on the physical properties of the PUF element and
  2. b. a processor connected to the PUF element and configured to obtain information about the cryptographic key of the PUF element by sending and/or receiving electrical signals and, based on the information, an authentication and/or determination of the identity of an object to perform
and wherein the PUF element comprises a piezoelectric resonator.

Das erfindungsgemäße System zeichnet sich durch ein PUF-Element aus, welches eine hochsichere und eindeutige Identifizierung des Objektes durch Senden und/oder Empfangen elektrische Signale eines Prozessors erlaubt.The system according to the invention is characterized by a PUF element, which allows a highly secure and unambiguous identification of the object by sending and/or receiving electrical signals from a processor.

Die Erfinder haben erkannt, dass zu diesem Zweck piezoelektrische Resonatoren ein überaus hohes, bisher unerkanntes Potential aufweisen. So wird durch das Layout von piezoelektrischen Resonatoren ein charakteristisches Resonanzspektrum erzeugt, welches aufgrund von Fertigungstoleranzen zufällig und somit in hohem Maße eindeutig für jeden piezoelektrischen Resonator ist.The inventors have recognized that piezoelectric resonators have an extremely high, hitherto unrecognized potential for this purpose. A characteristic resonance spectrum is generated by the layout of piezoelectric resonators, which is random due to manufacturing tolerances and thus highly unique for each piezoelectric resonator.

Durch elektrische Anregung des piezoelektrischen Resonators mittels des Prozessors kann das charakteristisches Resonanzspektrum bzw. Schwingungsverhalten spezifisch geprobt werden. Das charakteristische Resonanzspektrum hängt hierbei von zufällig verteilten, individuellen physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators ab, welche nicht kopierbar sind. Auch bei identischen Produktionsprozessen für baugleiche piezoelektrische Resonatoren führen intrinsische Toleranzen stets zu einer individuellen und eindeutigen Verteilung der physikalischen Eigenschaften. Die zufälligen physikalischen Eigenschaften wiederum bedingen ein charakteristischen Resonanzspektrum bzw. Schwingungsverhalten, welches gleich einem spektralen Fingerabdruck einen kryptographischen Schlüssel codieren kann. Information über den kryptographischen Schlüssel können mittels des Prozessors durch Senden und/oder Empfangen von elektrischen Signalen erhalten werden.The characteristic resonance spectrum or vibration behavior can be specifically tested by electrically exciting the piezoelectric resonator using the processor. The characteristic resonance spectrum depends on randomly distributed, individual physical properties of the piezoelectric resonator, which cannot be copied. Even with identical production processes for structurally identical piezoelectric resonators, intrinsic tolerances always lead to an individual and clear distribution of the physical properties. The random physical properties in turn cause a characteristic resonance spectrum or vibration behavior, which can encode a cryptographic key like a spectral fingerprint. Information about the cryptographic key can be obtained by the processor by sending and/or receiving electrical signals.

Vorteilhaft können hierbei auch komplexe Eingaben (challenges) zum Einsatz kommen, welche verschiedene Schwingungsmodi und/oder Frequenzen betreffen. Ebenso stellen die Rückgaben (responses) piezoelektrischer Resonatoren vorteilhaft keine zwangsläufig diskrete, digitale Antwort dar (z.B. im Sinne des Vorliegens oder nicht Vorliegens einer Resonanz). Vielmehr ist der Response durch kontinuierliche Antwortparameter, wie z.B. eine Amplitude und/oder Phasenverschiebung in Abhängigkeit der anregenden elektrischen Signale, gekennzeichnet.Advantageously, complex inputs ( challenges ) can also be used here, which relate to different vibration modes and/or frequencies. Likewise, the returns (responses) of piezoelectric resonators advantageously do not necessarily represent a discrete, digital response (eg in the sense of the presence or absence of a resonance). Rather, the response is characterized by continuous response parameters, such as an amplitude and/or phase shift as a function of the exciting electrical signals.

Kucera et al. untersuchen in einem Artikel aus dem Jahr 2014 die Messeigenschaften von piezoelektrischen Biegebalken für unterschiedliche Konfiguration in flüssigen Medien (Kucera et al. 2014). In diesem Zusammenhang wird das unterschiedliche Resonanzverhalten verschiedener Schwingungsmoden offenbart. Beispielsweise treten in Abhängigkeit der Dicke piezoelektrischen Biegebalken unterschiedliche Resonanzfrequenzen sowie Amplituden für in-plane oder out-of-plane Moden auf.Kucera et al. investigate the measurement properties of piezoelectric cantilevers for different configurations in liquid media in an article from 2014 (Kucera et al. 2014). In this context, the different resonance behavior of different vibration modes is revealed. For example, depending on the thickness of the piezoelectric bending beam, different resonance frequencies and amplitudes for in-plane or out-of-plane modes occur.

Kucera et al. 2014 haben das Ziel möglichst hochsensitive Messungen mittels der piezoelektrischen Biegebalken zu ermöglichen und optimieren vor dem Hintergrund u.a. die Konfigurationsparameter der piezoelektrischen Balken zur Maximierung des Q-Faktors. Die Ausnutzung zufällig verteilter physikalischer Eigenschaften von baugleichen piezoelektrischen Biegebalken für die Bereitstellung von PUFs wird weder offenbart noch nahelegt.Kucera et al. 2014 aim to enable measurements that are as highly sensitive as possible using the piezoelectric cantilever and, against this background, optimize the configuration parameters of the piezoelectric cantilever to maximize the Q-factor. The utilization of randomly distributed physical properties of structurally identical piezoelectric cantilevers for the provision of PUFs is neither disclosed nor suggested.

Aus Campanella 2007 ist bekannt, dass verschiedene Faktoren wie das Layout-Design, der Herstellungsprozess oder die physikalische Umgebung das Resonanzverhalten von thin-film bulk acoustic wave resonators (FBAR) beeinflussen.It is known from Campanella 2007 that various factors such as the layout design, the manufacturing process or the physical environment influence the resonance behavior of thin-film bulk acoustic wave resonators (FBAR) .

Campanella diskutiert insbesondere Fertigungstoleranzen in Bezug auf eine kontrollierte Dünnschichtabscheidung, Oxidwachstum oder Mikrobearbeitung als ursächlich für eine Variation der Schichtdicken und mithin für Abweichungen von einer gewünschten Resonanzfrequenz. Gemäß Campanella ist die Dicke der piezoelektrischen Schicht der wichtigste Prozessparameter, welcher die Resonanzfrequenz der Filter-bildenden FBARs steuert. Analysen hätten gezeigt, dass die Toleranz eines ZnO-Abscheidungsprozesses auf Werte von weniger als ± 86 Å gehalten werden muss, um einen wettbewerbsfähigen Abzweigfilter mit Anwendung im PCS-Band (1,9 GHz) zu erhalten (Andersen et al. 1996).In particular, Campanella discusses manufacturing tolerances related to controlled thin-film deposition, oxide growth, or micromachining as causing variation in film thickness and hence deviations from a desired resonant frequency. According to Campanella, the thickness of the piezoelectric layer is the most important process parameter that controls the resonant frequency of the filter-forming FBARs. Analysis had shown that the tolerance of a ZnO deposition process must be kept to values below ± 86 Å in order to obtain a competitive ladder filter with application in the PCS band (1.9 GHz) (Andersen et al. 1996).

Für eine AIN-Abscheidung zeigt der Autor Toleranzspannen von 10-15% hinsichtlich der Schichtdicke und Resonanzfrequenz aufgrund nicht-planarerAIN-Abscheidungen oder Fertigungstoleranzen auf. Campella schlägt nicht vor, auf Basis der Fertigungstoleranzen den individuellen Charakter der FBARs für PUF-Anwendungen zu nutzen. Vielmehr legt Campella nahe, durch ein Tuning von relevanten Prozessparametern während der Fertigung, nach der Fertigung oder während des Betriebes möglichst geringe Toleranzspannen zu gewährleisen. Selbst nach dem Tuning sind jedoch Toleranzen nicht zu vermeiden, welche unweigerlich zu einem charakteristischen Resonanzverhalten führen.For an AlN deposition, the author shows tolerance ranges of 10-15% in terms of layer thickness and resonance frequency due to non-planar AlN depositions or manufacturing tolerances. Campella does not suggest exploiting the individual nature of FBARs for PUF applications based on manufacturing tolerances. Rather, Campella suggests ensuring the smallest possible tolerance ranges by tuning relevant process parameters during production, after production or during operation. Even after tuning, however, tolerances cannot be avoided, which inevitably lead to a characteristic resonance behavior.

Während es im Stand der Technik durchaus bekannt war, dass piezoelektrische Resonatoren auch bei baugleicher Ausführung sich im Resonanzverhalten unterscheiden können, wurde die Nutzung als ein PUF-Element erstmals durch die Erfinder erkannt. Selbst ein und derselbe Hersteller wird nicht in der Lage sein, zwei piezoelektrische Resonatoren zu schaffen, welche ein absolut identisches Resonanzverhalten aufweisen. Stattdessen stellen die piezoelektrischen Resonatoren physisch nicht klonierbare Elemente dar, welche in dem erfindungsgemäßen System zur Authentisierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes genutzt werden können.While it was well known in the prior art that piezoelectric resonators can differ in their resonance behavior even if they are of identical design, the inventors recognized the use as a PUF element for the first time. Even one and the same manufacturer will not be able to create two piezoelectric resonators that have an absolutely identical resonance behavior. Instead, the piezoelectric resonators represent elements which cannot be physically cloned and which can be used in the system according to the invention for the authentication and/or determination of the identity of an object.

Analog zu bekannten halbleiterbasierten PUF-Elementen, welche in einen Prozessor bzw. eine integrierte Schaltung eingebracht werden, können für die Herstellung piezoelektrischer Resonatoren bevorzugt konventionelle CMOS-Prozesse zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zu bekannten halbleiterbasierten PUF-Elementen, wie arbiter PUFs oder ring oscillator PUFs, sind jedoch keine komplexen Halbleiterschaltungen notwendig, um hinreichend unvorhersagbare und fälschungssichere Schlüssel zu genieren. Stattdessen kann durch einen Verzicht auf komplexe Halbleiterschaltungen und zusätzliche Halbleiterelemente eine signifikantes Kostenersparnis erzielt werden.Analogously to known semiconductor-based PUF elements, which are introduced into a processor or an integrated circuit, conventional CMOS processes can preferably be used for the production of piezoelectric resonators. However, in contrast to known semiconductor-based PUF elements, such as arbiter PUFs or ring oscillator PUFs, complex semiconductor circuits are not necessary in order to generate sufficiently unpredictable and forgery-proof keys. Instead, a significant cost saving can be achieved by dispensing with complex semiconductor circuits and additional semiconductor elements.

Im Sinne der Erfindung ist die Authentisierung vorzugsweise in ihrer breitesten Form zu verstehen und kann jedes Verfahren betreffen, um eine Aktion oder einen Zugriff basierend auf erhaltenden Informationen über einen kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes zu gewährleisten. Darüber hinaus sollten jegliche Identifikations- oder Verifikationsverfahren abgedeckt werden, welche ebenfalls auf der Bereitstellung von Informationen über den kryptographischen Schlüssel basieren.In terms of the invention, authentication is preferably to be understood in its broadest form and can relate to any method to ensure an action or access based on information obtained about a cryptographic key of the PUF element. In addition, any identification or verification method that is also based on the provision of information about the cryptographic key should be covered.

Erfindungsgemäß umfasst das System zu diesem Zweck bevorzugt ein PUF-Element umfassend einen piezoelektrischen Resonator sowie einen Prozessor zum Auslesen von Informationen über den kryptographischen Schlüssel, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt.According to the invention, for this purpose the system preferably comprises a PUF element comprising a piezoelectric resonator and a processor for reading out information about the cryptographic key, which depends on the physical properties of the PUF element.

Im Sinne der Erfindung bezeichnet der Begriff Prozessor bevorzugt einen logischen Schaltkreis, welcher Daten bzw. elektrische Signale senden, empfangen und verarbeiten kann. Bevorzugte Prozessoren umfassen ohne Beschränkung eine integrierte Schaltung (IC), ein Anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer, eine speicherprogrammierbare Steuerung und/oder eine sonstige elektronische, bevorzugt programmierbare, Schaltung.For the purposes of the invention, the term processor preferably designates a logic circuit which can send, receive and process data or electrical signals. Preferred processors include, without limitation, an integrated circuit (IC), an application specific integrated circuit (ASIC), a field programmable gate array (FPGA), a microprocessor, a microcomputer, a programmable logic controller, and/or other electronic, preferably programmable, circuitry.

Ein PUF-Element meint bevorzugt ein Bauteil, welches aufgrund physischer bzw. physikalischer Eigenschaften einen kryptographischen Schlüssel codiert, welcher mittels des Prozessors mindestens teilweise auslesbar ist. Das PUF-Element ist selbst nicht klonierbar. Dies bedeutet, dass bevorzugt keine physische Kopie des PUF-Elemente angefertigt werden kann, welche den identischen kryptographischen Schlüssel codiert bzw. erzeugen kann.A PUF element preferably means a component which, on the basis of physical or physical properties, encodes a cryptographic key which can be at least partially read out by means of the processor. The PUF element itself cannot be cloned. This means that preferably no physical copy of the PUF element can be made which encodes or can generate the identical cryptographic key.

Die physikalischen Eigenschaften zweier PUF-Elemente unterscheiden sich bevorzugt durch kleinste Schwankungen im Produktionsprozess, selbst wenn durch das Produktionsverfahren absolut gleiche Bauteile bereitgestellt werden sollten. In Bezug auf piezoelektrischen Resonatoren handelt es sich bei den physikalischen Eigenschaften beispielsweise um eine Ausdehnung, Dicke oder Steifigkeit schwingfähiger Elemente, welche das Schwingungs- bzw. Resonanzverhalten der Resonatoren beeinflussen. Vorzugsweise umfasst das PUF-Element Bereiche, die eine Eingabe (Challenge) verarbeiten und daraus einen Rückgabewert (Response) erzeugen.The physical properties of two PUF elements preferably differ due to the smallest fluctuations in the production process, even if the production process is intended to provide absolutely identical components. With regard to piezoelectric resonators, the physical properties are, for example, an extent, thickness or rigidity of oscillatable elements, which influence the oscillation or resonance behavior of the resonators. The PUF element preferably includes areas that process an input (challenge) and generate a return value (response) from it.

Für piezoelektrische Resonatoren als PUF-Elemente können hardwareseitige Elektroden bzw. Elektrodenpads zum Anschluss an den Prozessor vorliegen. Die Challenges können die Form von elektrischen Signalen annehmen, wobei es besonders bevorzugt ist, ein oder mehrere periodischen Signale mit vorbestimmten Anregungsfrequenzen als Challenge zu verwenden. Die Response kann ebenfalls in Form einer oder mehrerer elektrischer Signale erfolgen, deren Amplitude und/oder Phasenverschiebung eindeutig durch die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators verändert sind. Es kann auch bevorzugt sein, dass die Response in Form von Messdaten über das mechanische Schwingverhalten des piezoelektrischen Resonators nach einer Anregung ausgelesen wird.For piezoelectric resonators as PUF elements, there can be hardware electrodes or electrode pads for connection to the processor. The challenges may take the form of electrical signals, it being particularly preferred to challenge one or more periodic signals with predetermined excitation frequencies use. The response can also be in the form of one or more electrical signals whose amplitude and/or phase shift are uniquely changed by the physical properties of the piezoelectric resonator. It can also be preferred that the response is read out in the form of measurement data on the mechanical vibration behavior of the piezoelectric resonator after an excitation.

Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein piezoelektrischer Resonator bevorzugt ein Bauelement umfassend ein schwingfähiges Element sowie ein piezoelektrisches Material, welches mittels elektrischer Signale zu Schwingungen angeregt werden kann. Physikalische Eigenschaften, wie die Ausdehnung, Dicke oder Steifigkeit der Komponenten des piezoelektrischen Resonators bestimmen bevorzugt das Schwingverhalten. Insbesondere für Frequenzen nahe der Eigenfrequenzen können Resonanzen auftreten.Within the meaning of the invention, a piezoelectric resonator preferably designates a component comprising an oscillatable element and a piezoelectric material, which can be excited to oscillate by means of electrical signals. Physical properties such as the expansion, thickness or rigidity of the components of the piezoelectric resonator preferably determine the vibration behavior. Resonances can occur especially for frequencies close to the natural frequencies.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur, wobei die schwingfähige Struktur einen piezoelektrischen Aktuator umfasst, welcher zur Anregung der schwingfähigen Struktur konfiguriert ist. Eine schwingfähige Struktur kann beispielsweise eine schwingfähige und/oder schwingend gelagerte Membran oder einen Cantilever bzw. Biegebalken betreffen.In a preferred embodiment of the invention, the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure, wherein the oscillatable structure comprises a piezoelectric actuator which is configured to excite the oscillatable structure. An oscillatable structure can relate, for example, to an oscillatable and/or oscillatingly mounted membrane or a cantilever or bending beam.

Schwingfähig bedeutet dabei insbesondere, dass die Struktur durch einen geeigneten Antrieb in Form eines Aktuators zu einer mechanischen Schwingung über längere Zeit angeregt werden kann, ohne dass es zu strukturellen Veränderungen (Beschädigungen) der Struktur kommt.Capable of oscillating means in particular that the structure can be excited to mechanically oscillate over a longer period of time by a suitable drive in the form of an actuator, without structural changes (damage) occurring to the structure.

Die Schwingung kann eine einfache Schwingung im Wesentlichen entlang einer Raumdimension und/oder um eine eindimensionale Achse herum umfassen, es kann sich jedoch auch um eine komplexe, räumlich mehrdimensionale Schwingung bzw. Schwingungsmode handeln. Gleichzeitig sollen die Schwingungen vorzugsweise hinreichend ausgeprägt sein, dass die Schwingung bzw. kennzeichnende Eigenschaften von einer Messeinheit gemessen werden können. Das bedeutet insbesondere, dass aus der Messung der Schwingung ein messbares und elektronisch verarbeitbares elektrisches Signal generiert werden kann, welches vorteilhafterweise Informationen über die Schwingung und deren Eigenschaften enthalten kann, wie z. B. Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz, Phase der Schwingung bevorzugt gegenüber einem anregenden elektrischen Signal.The oscillation can comprise a simple oscillation essentially along one spatial dimension and/or around a one-dimensional axis, but it can also be a complex, spatially multi-dimensional oscillation or oscillation mode. At the same time, the vibrations should preferably be sufficiently pronounced that the vibration or characteristic properties can be measured by a measuring unit. This means in particular that a measurable and electronically processable electrical signal can be generated from the measurement of the vibration, which can advantageously contain information about the vibration and its properties, such as. B. vibration amplitude, vibration frequency, phase of the vibration preferred to an exciting electrical signal.

Als Schwingung wird bevorzugt eine wiederholte zeitliche Schwankung von der räumlichen Auslenkung der Struktur bzw. von Bereichen der Struktur verstanden. Bevorzugt ist die Schwingung im Wesentlichen oder zumindest teilweise periodisch, das bedeutet vor allem zeitlich regelmäßig.Vibration is preferably understood to be a repeated fluctuation over time in the spatial deflection of the structure or of regions of the structure. Preferred is the Oscillation is essentially or at least partially periodic, which means above all that it is regular in terms of time.

Periodische Schwingungen, insbesondere über mehrere Perioden hinweg betrachtet, können vorzugsweise durch die Schwingungsmode beschrieben werden. Die Schwingungsmode ist vorzugsweise eine Form der Beschreibung bestimmter zeitlich stationärer Eigenschaften einer Schwingung. Verschiedene Schwingungsmoden unterscheiden sich insbesondere in der räumlichen Verteilung der Schwingungsintensität, wobei die Form der Schwingungsmoden vorzugsweise durch Randbedingungen bestimmt wird, unter denen sich die Schwingung ausbreitet. Diese Randbedingungen können z. B. durch das Material, die Abmessungen und/oder die Lagerung der schwingfähigen Struktur sowie mindestens eines auf die Struktur einwirkenden Kraftvektors (umfassend bevorzugt die nominale Größe und/oder die Richtung der einwirkenden Kraft) gegeben sein.Periodic oscillations, in particular viewed over a number of periods, can preferably be described by the oscillation mode. The vibration mode is preferably a form of description of certain temporally stationary properties of a vibration. Different vibration modes differ in particular in the spatial distribution of the vibration intensity, with the form of the vibration modes preferably being determined by boundary conditions under which the vibration propagates. These boundary conditions can B. by the material, the dimensions and / or the storage of the oscillatable structure and at least one force vector acting on the structure (comprising preferably the nominal size and / or the direction of the acting force).

Bei einem schwingenden Cantilever kann es z. B. mehrere Biegeschwingungsmoden geben, bei der sich der Cantilever entlang einer Vorzugsrichtung, z. B. senkrecht zu einer Ebene der Aufhängung des Cantilevers durchbiegt, die sich insbesondere in der Schwingungsfrequenz, der maximalen Schwingungsamplitude sowie in dessen räumlichem Auftreten unterscheiden können. Eine Biegeschwingungsmode ist dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung einen dynamischen Biegeprozess in Richtung im Wesentlichen einer Normalen zu einer Hauptebene des Cantilevers bzw. der schwingungsfähigen Struktur, beschreibt. Es kann jedoch auch andere Schwingungsmodi geben, z. B. eine Torsionsmode, welche eine Schwingung in Form einer periodischen Verdrehungsbewegung der Struktur entlang einer Achse beschreibt. Auch komplexere Moden, welche Überlagerungen anderer Moden darstellen, sind möglich. Bevorzugt findet eine Schwingung in einer Schwingungsmode statt. Ein Beispiel für eine komplexe Schwingungsmode ist die dachziegelartige (engl.: rooftile-shaped) Vibrations-Schwingungsmode, z. B. eines Cantilevers, bei welcher der Cantilever zwischen dachziegelartigen Verformungszuständen hin- und herschwingt.With an oscillating cantilever it can e.g. B. give several bending vibration modes, in which the cantilever moves along a preferred direction, z. B. deflects perpendicular to a plane of the suspension of the cantilever, which can differ in particular in the vibration frequency, the maximum vibration amplitude and in its spatial occurrence. A bending vibration mode is characterized in particular in that the vibration describes a dynamic bending process in the direction essentially of a normal to a main plane of the cantilever or the vibratory structure. However, there may be other modes of vibration, e.g. B. a torsional mode, which describes an oscillation in the form of a periodic torsional movement of the structure along an axis. More complex modes, which represent superimpositions of other modes, are also possible. An oscillation preferably takes place in an oscillation mode. An example of a complex vibrational mode is the rooftile-shaped vibrational vibrational mode, e.g. a cantilever, in which the cantilever oscillates between imbricated states of deformation.

Vorzugsweise ist neben der Struktur auch der piezoelektrische Aktuator zur Anregung solcher Schwingungen geeignet, da er für eine aktive Schwingungsanregung der Struktur konfiguriert ist. Der Aktuator sollte daher geeignet sein, eine von ihm generierte Kraft auf die Struktur zu übertragen, z. B. in dem er mit der Struktur in einer Art in Verbindung steht, welche eine Kraftübertragung ermöglicht. Vorzugsweise kann die Struktur auch den Aktuator selbst zumindest teilweise umfassen, beispielsweise wenn der Aktuator als eine piezoelektrische Schicht in der schwingfähigen Struktur (z.B. eine Membran oder ein Biegebalken) vorliegt.In addition to the structure, the piezoelectric actuator is preferably also suitable for exciting such vibrations, since it is configured for active vibration stimulation of the structure. The actuator should therefore be suitable for transferring a force generated by it to the structure, e.g. B. by communicating with the structure in a way that enables power transmission. Preferably, the structure can also at least partially include the actuator itself, for example if the actuator is present as a piezoelectric layer in the oscillatable structure (eg a membrane or a bending beam).

Dabei sollte die Kraft selber geeignet sein, die Schwingungen auszulösen. Das bedeutet bevorzugt, dass die Kraft periodisch ist und vorzugsweise im Wesentlichen die Frequenz der zu erzeugenden Schwingungen der Struktur aufweist und geeignet ist, die Struktur in Schwingungen vorzugsweise in einer Schwingungsmode zu versetzen.The force itself should be suitable for triggering the oscillations. This preferably means that the force is periodic and preferably essentially has the frequency of the vibrations of the structure to be generated and is suitable for causing the structure to vibrate, preferably in a vibration mode.

Es kann dabei bevorzugt sein, dass die Struktur elastische Eigenschaften aufweist, welche Schwingungen insbesondere entlang mindestens einer Richtung und/oder an mindestens einem Ort bzw. Bereich der Struktur unterstützen. Vorzugsweise lassen sich diese elastischen Eigenschaften durch mindestens eine Federkonstante beschreiben. Vorzugsweise weist die Struktur ebenfalls eine Masse auf, welche die Schwingungseigenschaften mitbestimmt. Es kann dabei bspw. sein, dass der Aktuator nur eine periodische, aktive Kraft für eine Auslenkung in eine Richtung erzeugt und die Struktur aufgrund Ihrer Rückstellkraft die Auslenkung in die entgegengesetzte hervorruft, woraus insgesamt die Schwingung entsteht. Bevorzugt setzt ein Aktuator insbesondere ein elektrisches Steuerungssignal in eine Bewegung um. Ein Aktuator ist bevorzugt ein piezoelektrischer Aktuator und eine periodische Kraft zur Schwingungsanregung aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugen, wenn z. B. ein elektrisches Steuersignal in Form einer elektrischen Spannung mit periodischem Zeitverlauf an den Aktuator angelegt wird.It can be preferred that the structure has elastic properties which support vibrations in particular along at least one direction and/or at at least one location or region of the structure. These elastic properties can preferably be described by at least one spring constant. The structure preferably also has a mass, which also determines the vibration properties. It can be the case, for example, that the actuator only generates a periodic, active force for a deflection in one direction and the structure, due to its restoring force, causes the deflection in the opposite direction, from which the vibration arises overall. In particular, an actuator preferably converts an electrical control signal into a movement. An actuator is preferably a piezoelectric actuator and generate a periodic force for vibration excitation due to the piezoelectric effect when z. B. an electrical control signal in the form of an electrical voltage with a periodic time course is applied to the actuator.

Dabei kann der Aktuator ein externes Element sein, welcher eine Anregungskraft mechanisch an die Struktur überträgt. Vorzugsweise ist der Aktuator jedoch von der Struktur umfasst und erzeugt z. B. innerhalb dieser die Kraft zur mechanischen Schwingungsanregung. Die elektrischen Signale zur Anregung der schwingfähigen Struktur werden bevorzugt durch den Prozessor generiert. Das Schwingverhalten der schwingfähigen Struktur wird hingegen durch physikalische Eigenschaften der Struktur und/oder des piezoelektrischen Aktuators bestimmt. Individuelle Schwingungsantworten (response) auf anregende elektrische Signale (challenges) können somit Information über einen kryptographischen Schlüssel bereitstellen, welcher durch die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators bestimmt wird.The actuator can be an external element that mechanically transmits an excitation force to the structure. However, the actuator is preferably comprised by the structure and generates e.g. B. within this the force for mechanical vibration excitation. The electrical signals for exciting the oscillatable structure are preferably generated by the processor. The oscillating behavior of the oscillatable structure, on the other hand, is determined by physical properties of the structure and/or the piezoelectric actuator. Individual vibration responses ( response ) to exciting electrical signals ( challenges ) can thus provide information about a cryptographic key, which is determined by the physical properties of the piezoelectric resonator.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der piezoelektrische Resonator eine piezoelektrische Membran.In a further preferred embodiment, the piezoelectric resonator comprises a piezoelectric membrane.

Eine Membran ist bevorzugt eine dünne, flächige Struktur mit einem Umfang in z. B. im Wesentlichen runder und/oder polygonaler Ausprägung. Die Membran ist vorzugsweise wenigstens bereichsweise entlang des Umfangs schwingbar gelagert.A membrane is preferably a thin, flat structure with a circumference in z. B. substantially round and / or polygonal expression. The membrane is preferably mounted so that it can swing at least in certain areas along the circumference.

Eine piezoelektrische Membran ist vorzugweise eine Membran, welche einen piezoelektrischen Aktuator umfasst. Das bedeutet bevorzugt, dass die Membran mindestens ein piezoelektrisches Material umfasst, welches aufgrund seiner Eigenschaften und/oder der Anordnung innerhalb des Membran bei geeigneter elektrischer Ansteuerung durch ein elektrisches Signal zu einer Schwingung führt, welche von den physikalischen Eigenschaften der piezoelektrischen Membran abhängt.A piezoelectric membrane is preferably a membrane that includes a piezoelectric actuator. This preferably means that the membrane comprises at least one piezoelectric material which, due to its properties and/or the arrangement within the membrane, with suitable electrical activation by an electrical signal, leads to an oscillation which depends on the physical properties of the piezoelectric membrane.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der piezoelektrische Resonator einen piezoelektrischer Biegebalken.In a preferred embodiment, the piezoelectric resonator comprises a piezoelectric cantilever.

Ein Cantilever, oder synonym, Biegebalken ist vorzugsweise ein räumlich ausgedehntes, insbesondere längliches Element, welches entlang mindestens einer Seite schwingfähig gelagert und ansonsten vorzugsweise freistehend ist. Ein Cantilever kann z. B. die Form eines flächigen, länglichen Quaders aufweisen, dessen Dicke deutlich kleiner im Vergleich zur Quer- und Längsausdehnung ist, wobei bevorzugt die Querausdehnung kleiner ist als die Längsausdehnung. Bevorzugt sind einseitig schwingfähige Balken (Freischwinger). Es kann jedoch auch ein beidseitig bzw. mehrseitig schwingbar gelagerter Biegebalken bevorzugt sein.A cantilever, or synonymously, a bending beam, is preferably a spatially extended, in particular elongate element, which is mounted so as to be able to oscillate along at least one side and is otherwise preferably free-standing. A cantilever can e.g. B. have the shape of a flat, elongated cuboid, the thickness of which is significantly smaller compared to the transverse and longitudinal extent, with the transverse extent preferably being smaller than the longitudinal extent. Beams that can oscillate on one side (cantilever) are preferred. However, a bending beam that is mounted so that it can swing on both sides or on more than one side can also be preferred.

Ein piezoelektrischer Balken ist vorzugweise ein Biegebalken, welcher einen piezoelektrischen Aktuator umfasst. Das bedeutet insbesondere, dass der Biegebalken mindestens ein piezoelektrisches Material umfasst, welches aufgrund seiner Eigenschaften und/oder der Anordnung innerhalb des Cantilevers bei geeigneter elektrischer Ansteuerung durch ein elektrisches Signal zu einer Schwingung führt, welche von den physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Biegebalken abhängt.A piezoelectric beam is preferably a cantilever that includes a piezoelectric actuator. This means in particular that the cantilever comprises at least one piezoelectric material which, due to its properties and/or the arrangement within the cantilever, when suitably controlled electrically by an electrical signal, leads to an oscillation which depends on the physical properties of the piezoelectric cantilever.

Bevorzugt weist der piezoelektrische Balken oder die piezoelektrische Membran mindestens eine Kontaktierung zum Empfangen elektrische Signale von dem Prozessor auf, vorzugsweise in Form mindestens einer Elektrode, an welcher ein elektrisches Signal anliegt. Besonders bevorzugt umfasst ein piezoelektrischer Balken oder eine piezoelektrische Membran mindestens zwei Elektroden.The piezoelectric beam or the piezoelectric membrane preferably has at least one contact for receiving electrical signals from the processor, preferably in the form of at least one electrode to which an electrical signal is present. A piezoelectric bar or a piezoelectric membrane particularly preferably comprises at least two electrodes.

Ein piezoelektrisches Material ist bevorzugt ein Material, welches geeignet ist, einen piezoelektrischen Effekt aufzuweisen. Nicht beschränkende Beispiele sind Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AIN) oder Zinkoxid (ZnO).A piezoelectric material is preferably a material capable of exhibiting a piezoelectric effect. Non-limiting examples are lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AIN) or zinc oxide (ZnO).

Der piezoelektrische Effekt beschreibt bevorzugt die Verformung eines Materials bei Anlegen einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Feldes (inverser Piezoeffekt), wodurch insbesondere durch das Material eine Kraft ausgeübt werden kann. Bevorzugt beschreibt der piezoelektrische Effekt ebenfalls die Änderung der elektrischen Polarisation und somit bevorzugt das Auftreten einer elektrischen Spannung und/oder eine Änderung der Impedanz an einem Festkörper, wenn er elastisch verformt wird (direkter Piezoeffekt).The piezoelectric effect preferably describes the deformation of a material when an electrical voltage and/or an electrical field is applied (inverse piezoelectric effect), as a result of which a force can be exerted in particular through the material. The piezoelectric effect preferably also describes the change in the electrical polarization and thus preferably the occurrence of an electrical voltage and/or a change in the impedance of a solid when it is elastically deformed (direct piezo effect).

Bevorzugt hängt die Verformung einer piezoelektrischen Struktur insbesondere von der elektrischen Polarisation innerhalb der Struktur ab und kann vorzugsweise u. a. durch Anordnung der Elektroden beeinflusst werden. Dadurch kann vorzugsweise die Schwingungsmode der Struktur beeinflusst werden.The deformation of a piezoelectric structure preferably depends in particular on the electrical polarization within the structure and can preferably e.g. be influenced by the arrangement of the electrodes. As a result, the vibration mode of the structure can preferably be influenced.

Dabei kann der Balken bevorzugt ein unimorpher bzw. monomorpher Cantilever sein, der vorzugsweise eine aktive Schicht und eine inaktive bzw. passive Schicht umfasst. Dabei bezeichnet eine aktive Schicht vorzugsweise eine piezoelektrische Schicht, bei der eine Kraft bzw. eine Deformation durch ein anliegendes elektrisches Feld, insbesondere durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung, ausgelöst wird.In this case, the beam can preferably be a unimorph or monomorph cantilever, which preferably comprises an active layer and an inactive or passive layer. In this case, an active layer preferably designates a piezoelectric layer in which a force or a deformation is triggered by an applied electrical field, in particular by applying an electrical control voltage.

Diese Kraft bzw. Deformation erzeugt vorzugsweise ein Durchbiegen und/oder eine Verformung des Balkens, welche bevorzugt durch ein periodisches elektrisches Steuersignal eine aktive Schwingung auslösen kann. Die inaktive Schicht umfasst dabei vorzugsweise ein nicht-piezoelektrisches Material, wobei es sich um eine mechanisches Stützmaterial handeln kann. Dabei ist bevorzugt, dass aktive Schicht und inaktive Schicht so zusammenwirken, dass eine resultierende Kraft aufgrund der angelegten Steuerspannung erzeugt wird, welche eine Auslenkung des Balkens hervorruft, welche bei einer Periodizität des elektrischen Signals bevorzugt eine Schwingung verursacht. Es kann ebenso bevorzugt sein, dass auch die inaktive Schicht ein piezoelektrisches Material umfasst, welches jedoch nicht elektrisch kontaktiert und/oder durch ein elektrisches Signal angesteuert wird, an dem vorteilhafterweise kein elektrisches Signal angelegt wird und welche insbesondere kein externes elektrisches Feld erfährt, welches eine interne Kraft und/oder eine Verformung aufgrund des indirekten piezoelektrischen Effekts der inaktiven Schicht auslöst.This force or deformation preferably produces a bending and/or a deformation of the beam, which can preferably trigger an active oscillation by means of a periodic electrical control signal. The inactive layer preferably comprises a non-piezoelectric material, which can be a mechanical support material. It is preferred that the active layer and the inactive layer interact in such a way that a resultant force is generated due to the applied control voltage, which causes a deflection of the beam, which preferably causes an oscillation given a periodicity of the electrical signal. It can also be preferred that the inactive layer also comprises a piezoelectric material, which, however, is not electrically contacted and/or controlled by an electrical signal, to which advantageously no electrical signal is applied and which, in particular, does not experience an external electrical field that internal force and/or a deformation due to the indirect piezoelectric effect of the inactive layer.

Ebenso kann der Cantilever bevorzugt ein bimorpher Cantilever sein, welcher vorzugsweise mindestens zwei aktive Schichten umfasst. Dabei kann bevorzugt eine inaktive Schicht zwischen den mindestens zwei aktiven Schichten vorhanden sein. Dabei ist bevorzugt, dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine aktive Schicht kontrahiert, während die zweite aktive Schicht expandiert, wodurch vorteilhafterweise eine Biegung des Cantilevers erreicht wird, welche insbesondere gegenüber einem unimorphen Cantilever verstärkt ist, also z. B. bei gleicher angelegter Spannung eine größere Amplitude aufweist.Likewise, the cantilever can preferably be a bimorph cantilever, which preferably comprises at least two active layers. In this case, an inactive layer can preferably be present between the at least two active layers. It is preferred that when an electrical voltage is applied, one active layer contracts while the second active layer expands, as a result of which bending of the cantilever is advantageously achieved, which is increased in particular compared to a unimorph cantilever, ie z. B. has a larger amplitude at the same applied voltage.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur, wobei die schwingfähige Struktur, bevorzugt ein Biegebalken und/oder eine Membran, zwei Elektroden und eine piezoelektrische Zwischenschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Aluminiumnitrid (AIN) oder Zinkoxid (ZnO) aufweist.In a preferred embodiment, the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure, the oscillatable structure, preferably a cantilever and/or a membrane, two electrodes and a piezoelectric intermediate layer made of a material selected from the group containing lead zirconate titanate (PZT), aluminum nitride (AIN) or zinc oxide (ZnO).

Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders einfache Herstellung piezoelektrischer Resonatoren und gewährleistet ein robustes Anregen und Auslesen. Die zwei Elektroden können dabei bevorzugt auf einer Oberfläche des Cantilevers oder einer Membran, z.B. oben oder unten, nebeneinander angeordnet sein und/oder auf gegenüberliegenden Oberflächen des Cantilevers oder einer Membran, oben und unten. Mindestens eine Elektrode kann dabei ebenso innerhalb, bspw. in einer Zwischenschicht des Cantilevers oder Membran, angeordnet sein. Vorzugsweise sind Material und/oder Anordnung der Elektroden ausgesucht für gewünschte Schwingungseigenschaften bzw. die gewünschte Schwingungsmoden.This embodiment allows a particularly simple production of piezoelectric resonators and ensures robust excitation and readout. The two electrodes can preferably be arranged next to one another on one surface of the cantilever or a membrane, e.g. above or below, and/or on opposite surfaces of the cantilever or a membrane, above and below. At least one electrode can also be arranged inside, for example in an intermediate layer of the cantilever or membrane. The material and/or arrangement of the electrodes are preferably selected for the desired vibration properties or the desired vibration modes.

Für die Herstellung kompakter, mechanisch-elektronischer Vorrichtungen wird heute auf vielen Anwendungsgebieten auf die Mikrosystemtechnik zurückgegriffen. Die so herstellbaren Mikrosysteme (engl. microelectromechanical system, kurz MEMS) sind sehr kompakt (Mikrometerbereich) bei gleichzeitig hervorragender Funktionalität und immer geringeren Herstellungskosten.Today, microsystems technology is used in many fields of application for the manufacture of compact, mechanical-electronic devices. The microsystems that can be produced in this way (microelectromechanical system, MEMS for short) are very compact (micrometer range) with excellent functionality and ever lower production costs.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der piezoelektrische Resonator als MEMS-Bauelement ausgeführt, besonders bevorzugt handelt es sich um einen MEMS-Biegebalken oder eine MEMS-Membran.In a further preferred embodiment of the invention, the piezoelectric resonator is designed as a MEMS component, particularly preferably a MEMS cantilever or a MEMS membrane.

Der piezoelektrische MEMS-Resonator umfasst bevorzugt einen piezoelektrischen MEMS-Aktuator, welcher bevorzugt mithilfe von üblichen Herstellungsmethoden der Mikrosystemtechnik hergestellt wird und des Weiteren vorteilhafterweise Abmessungen in der Größenordnung µm aufweist. Ein solcher Aktuator ist besonders kompakt, robust und wartungsarm und lässt sich einfach und kostengünstig herstellen.The piezoelectric MEMS resonator preferably includes a piezoelectric MEMS actuator, which is preferably produced using standard production methods of microsystems technology and also advantageously has dimensions in the order of μm. Such an actuator is particularly compact, robust and low-maintenance and can be produced easily and inexpensively.

Zudem kann die bevorzugt schwingfähige Struktur des Resonators, welche durch den Aktuator zu Schwingung angeregt wird, ebenfalls ein MEMS-Element sein, das heißt bevorzugt, dass die schwingfähige Struktur und Aktuator vorzugsweise in einem Prozess herstellbar sind und kompakt gehalten werden. Es kann dabei wünschenswerterweise in Teilen das gleiche Substrat zur Herstellung verwendet werden. Dies vereinfacht und verbilligt die Herstellung.In addition, the preferably oscillatable structure of the resonator, which is excited to oscillate by the actuator, can also be a MEMS element, which means that the oscillatable structure and actuator can preferably be produced in one process and are kept compact. Desirably, parts of the same substrate can be used for production. This simplifies and reduces the cost of manufacture.

Bevorzugt können zur Herstellung der piezoelektrischen Resonatoren zudem ausschließlich CMOS-kompatible Materialien verwandt werden, sodass kostengünstige und massentaugliche Verfahren zur Bereitstellung der PUF-Elemente mittels CMOS-Technologie zum Einsatz kommen können.In addition, only CMOS-compatible materials can preferably be used to produce the piezoelectric resonators, so that inexpensive and mass-produced methods can be used to provide the PUF elements using CMOS technology.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der piezoelektrische Resonator und/oder der Prozessor auf einem Substrat gebildet, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monokristallinem Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Siliziumcarbid, Siliziumgermanium, Siliziumnitrid, Nitrid, Germanium, Kohlenstoff, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid und Glas.In a preferred embodiment of the invention, the piezoelectric resonator and/or the processor is formed on a substrate, preferably selected from the group consisting of monocrystalline silicon, polysilicon, silicon dioxide, silicon carbide, silicon germanium, silicon nitride, nitride, germanium, carbon, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide and glass.

Diese Materialien sind in der Halbleiter- und/oder Mikrosystemherstellung einfach und kostengünstig zu bearbeiten und eignen sich für eine Herstellung im großen Maßstab. Insbesondere ist bevorzugt eine Herstellung piezoelektrischen Resonators umfassend eine schwingfähige Struktur zusammen mit einem Prozessor auf einem Wafer möglich. Hierdurch wird die Herstellung weiter vereinfacht und verbilligt, sodass kostengünstig ein kompaktes und robustes System bereitgestellt werden kann.These materials are easy and inexpensive to process in semiconductor and/or microsystems fabrication and lend themselves to large-scale fabrication. In particular, it is preferably possible to produce a piezoelectric resonator comprising an oscillatable structure together with a processor on a wafer. This further simplifies and reduces the cost of manufacture, so that a compact and robust system can be provided at low cost.

Der Fachmann kennt Herstellungsverfahren, um einen piezoelektrischen Resonator, bevorzugt einen piezoelektrischen Biegebalken und/oder eine piezoelektrische Membran auf einem Substrat ausbilden. Hierzu kann beispielsweise folgende Schritte verwandt werden: Ätzen eines Substrats, Ausbildung einer Strukturierung, Optionales Auftragen eines Ätzstops, Aufbringen einer oder mehrerer Lagen. wobei mindestens erste Lage ein piezoelektrisches Aktuatormaterial und eine zweite Lage ein mechanischen Stützmaterial umfassen kann oder beide zwei Lagen ein Aktuatormaterial umfassen, Kontaktieren der ersten und/oder zweiten Lage mit einer Elektrode, Ätzen und optionale Entfernung des Ätzstops.The person skilled in the art knows manufacturing methods for forming a piezoelectric resonator, preferably a piezoelectric cantilever and/or a piezoelectric membrane on a substrate. The following steps can be used for this, for example: etching a substrate, formation of a structure, optional application of an etching stop, application of one or more layers. wherein at least a first layer may comprise a piezoelectric actuator material and a second layer may comprise a mechanical support material or both two layers comprise an actuator material, contacting the first and/or second layer with an electrode, etching and optionally removing the etch stop.

Als Substrat kann z. B. eines der bevorzugten, vorstehend genannten Materialien verwendet werden. Beim Ätzen kann ein Rohling, beispielsweise ein Wafer, in die gewünschte Grundform gebracht werden. In einem nächsten Schritt werden bevorzugt die Lagen für eine schwingfähige Struktur, z.B. einen Biegebalken oder eine Membran, aufgebracht.As a substrate z. B. one of the preferred materials mentioned above can be used. With etching, a blank, for example a wafer, can be brought into the desired basic shape. In a next step, the layers for an oscillatable structure, e.g. a bending beam or a membrane, are preferably applied.

Bevorzugt kann das Aufbringen ausgesucht sein aus der Gruppe umfassend physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere thermisches Verdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und/oder Atomlagenabscheidung (ALD). Insbesondere kann das Aufbringen beispielsweise ein Abscheiden, z. B. im Falle eines Substrats aus Polysilizium, umfassen.The application can preferably be selected from the group consisting of physical vapor deposition (PVD), in particular thermal vaporization, laser beam vaporization, arc vaporization, molecular beam epitaxy, sputtering, chemical vapor deposition (CVD) and/or atomic layer deposition (ALD). In particular, the application can, for example, be a deposition, e.g. in the case of a polysilicon substrate.

Ein Ätzen und/oder eine Strukturierung kann bevorzugt ausgesucht sein aus der Gruppe umfassend Trockenätzen, nasschemisches Ätzen und/oder Plasmaätzen, insbesondere Reaktives lonenätzen, Reaktives lonentiefenätzen (Bosch-Prozess).Etching and/or structuring can preferably be selected from the group comprising dry etching, wet-chemical etching and/or plasma etching, in particular reactive ion etching, reactive ion deep etching (Bosch process).

Zur Kontaktierung der Lagen kann zusätzlich geeignetes Material, wie z. B. Kupfer, Gold und/oder Platin durch gängige Prozesse abgeschieden werden. Hierfür können bevorzugt physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder elektrochemische Abscheidung zum Einsatz kommen.In addition, suitable material, such as e.g. B. copper, gold and / or platinum are deposited by common processes. Physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or electrochemical deposition can preferably be used for this.

Mittels der Prozessschritte können piezoelektrischen Resonatoren als PUF-Elemente bereitgestellt werden mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Die Herstellungsschritte gehören zu Standardverfahrensschritten der Halbleiterprozessierung, sodass diese sich bewährt haben und zudem für eine Massenherstellung geeignet sind.Using the process steps, piezoelectric resonators can be provided as PUF elements with dimensions in the micrometer range. The production steps are part of standard process steps in semiconductor processing, so that they have proven themselves and are also suitable for mass production.

Der Prozessor zum Senden und/oder Empfangen elektrischer Signale kann vorzugsweise auf demselben Substrat mittels bekannter Halbleiterprozessierung integriert werden. Vorteilhaft sind für die Ausführungsform PUF-Element und Prozessor physisch nicht separierbar, wodurch die Sicherheit nochmals erhöht wird.The processor for sending and/or receiving electrical signals can preferably be integrated on the same substrate using known semiconductor processing. Advantageously, for the embodiment, the PUF element and the processor cannot be physically separated, as a result of which security is further increased.

Es kann aber auch bevorzugt sein, den piezoelektrischen Resonator als PUF-Element auf einem von dem Prozessor separaten Substrat bereitzustellen und beiden Komponenten anschließend durch elektrische Kontaktierung zu verbinden.However, it can also be preferred to provide the piezoelectric resonator as a PUF element on a substrate that is separate from the processor and then to connect the two components by electrical contacting.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hängt der kryptographische Schlüssel, welcher durch die physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes festgelegt wird, von einer Schwingungsantwort des piezoelektrischen Resonators auf eine Schwingungsanregung ab.In a preferred embodiment of the invention, the cryptographic key, which is defined by the physical properties of the PUF element, depends on an oscillation response of the piezoelectric resonator to an oscillation excitation.

Ein kryptographischer Schlüssel bezeichnet bevorzugt eine Information, welche dazu geeignet ist, ein kryptographisches Verfahren zur parametrisieren oder zu steuern.A cryptographic key preferably designates information which is suitable for parameterizing or controlling a cryptographic method.

Bevorzugt wird der kryptographische Schlüssel durch diejenigen physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators festgelegt, welche dessen Schwingungsantwort auf ein Schwingungsanregung vorgeben. Hierzu gehören beispielsweise eine Ausdehnung, Dicke, Elastizität oder Materialzusammensetzung einer schwingfähigen Struktur des piezoelektrischen Resonators.The cryptographic key is preferably defined by those physical properties of the piezoelectric resonator which specify its vibration response to vibration excitation. These include, for example, an extent, thickness, elasticity or material composition of an oscillatable structure of the piezoelectric resonator.

Vorteilhaft bestehen zwischen einer schwingungsfähigen Struktur und einem piezoelektrischen Aktuator zum Antrieb erzwungener Schwingung, komplexe Wechselwirkungen, welche u. a. durch Resonanzfrequenzen (oder Eigenfrequenzen) der Struktur, Dämpfungseigenschaften der Struktur oder auch eines Fluids in dessen Umgebung vorgeben sind. Die exakte Schwingungsantwort bzw. das charakteristische Resonanzspektrum eines piezoelektrischen Resonators kann vorteilhaft selbst unter Kenntnis der Prozessparameter nicht ohne Weiteres vorhergesagt werden. So kann eine einfach zu beschreibende, periodische Krafteinwirkung entlang einer Richtung auch wesentlich komplexere Schwingungsmuster erzeugen, welche von den exakten physikalischen Prozessparameter abhängt. Es ist daher sehr schwierig, eine Schwingungsantwort bzw. Rückgabe (Response) aus einer Schwingungsanregung bzw. Eingabe (Challenge) vorherzusagen.Advantageously, there are complex interactions between an oscillating structure and a piezoelectric actuator for driving forced oscillations, which are specified, among other things, by resonance frequencies (or natural frequencies) of the structure, damping properties of the structure or a fluid in its environment. Advantageously, the exact vibration response or the characteristic resonance spectrum of a piezoelectric resonator cannot be readily predicted even if the process parameters are known. A periodic force action along one direction, which is easy to describe, can also generate significantly more complex vibration patterns, which depend on the exact physical process parameters. It is therefore very difficult to predict a vibrational response or return from a vibrational excitation or input (challenge).

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur und die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators, welche den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes festlegen, sind ausgewählt aus der Gruppe enthaltend geometrische Abmessung der schwingfähigen Struktur, beispielsweise Länge, Höhe und/oder Dicke eines piezoelektrischen Balkens oder Membrandicke einer piezoelektrischen Membran, Elastizität, Schichtdicke und/oder Zusammensetzung eines piezoelektrischen Materials der schwingfähigen Struktur.In a preferred embodiment, the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure and the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, are selected from the group containing geometric dimensions of the oscillatable structure, for example length, height and/or thickness of a piezoelectric beam or membrane thickness of a piezoelectric membrane, elasticity, layer thickness and/or composition of a piezoelectric material of the oscillatable structure.

Das charakteristische Resonanzspektrum bzw. die Schwingungsantwort des piezoelektrischen Resonators auf eine Schwingungsanregung sind besonders sensitiv im Hinblick auf die vorgenannten physikalischen Eigenschaften. Die bevorzugten physikalischen Eigenschaften tragen aus dem Grunde bevorzugt maßgeblich zur erwünschten Bereitstellung von PUF-Elementen mit individuellen Resonanzeigenschaften bei. Zudem lassen sich Toleranzbereiche für die physikalischen Eigenschaften als Prozessparameter herstellungsseitig vorgeben und eröffnen somit eine gezielte Optimierung der PUF-Elemente für verschiedene Anwendungen.The characteristic resonance spectrum and the vibration response of the piezoelectric resonator to a vibration excitation are particularly sensitive with regard to the aforementioned physical properties. For this reason, the preferred physical properties preferably contribute significantly to the desired provision of PUF elements with individual resonance properties. In addition, tolerance ranges for the physical properties can be specified as process parameters during production, thus opening up targeted optimization of the PUF elements for various applications.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators, welche den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes festlegen, während des Fertigungsprozesses festgelegt und fallen als Zufallsgrößen in einen festgelegten Toleranzbereich für den Fertigungsprozess.In a preferred embodiment, the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, are defined during the manufacturing process and, as random variables, fall within a specified tolerance range for the manufacturing process.

Bevorzugt werden für den Fertigungsprozess piezoelektrischer Resonatoren Toleranzbereiche für bestimmte physikalische Eigenschaften festgelegt. Beispielsweise kann für die Schichtdicke eines Biegebalken oder einer Membran ein Toleranzbereich von 15 % oder weniger, vorzugsweise 10% oder weniger festgelegt werden.Tolerance ranges for specific physical properties are preferably defined for the production process of piezoelectric resonators. For example, a tolerance range of 15% or less, preferably 10% or less, can be specified for the layer thickness of a bending beam or a membrane.

Innerhalb der Toleranzbereiche liegen die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Bauelemente statistisch verteilt vor. Bei Herstellung einer Vielzahl piezoelektrischer Resonatoren mit den vorgegeben Fertigungsparameter zur baugleichen Ausführung, werden dementsprechend individuelle Bauelement mit statistisch verteilten physikalischen Eigenschaften erhalten. Bei erfindungsgemäßer Verwendung der piezoelektrischen Resonatoren als PUF-Elemente bedingt die statistische Verteilung physikalische Eigenschaften (beispielsweise einer Schichtdicke), kryptographisch relevante Werte hinsichtlich der PUF-Elemente, wie Entropie, Intra-Hamming Distanz oder Inter-Hamming Distanz.The physical properties of the manufactured components are statistically distributed within the tolerance ranges. When a large number of piezoelectric resonators are manufactured with the specified manufacturing parameters for an identical design, individual components with statistically distributed physical properties are accordingly obtained. When the piezoelectric resonators are used as PUF elements according to the invention, the statistical distribution requires physical properties (for example a layer thickness), cryptographically relevant values with regard to the PUF elements, such as entropy, intra-Hamming distance or inter-Hamming distance.

Die Toleranzbereiche innerhalb der Fertigungsprozesse können somit zur Optimierung der statistischen Eigenschaften der PUF-Elemente genutzt werden, um möglichst sichere Authentifizierungs- oder Identifikationsverfahren zu gewährleisten.The tolerance ranges within the manufacturing processes can thus be used to optimize the statistical properties of the PUF elements in order to ensure the most secure authentication or identification methods possible.

Verschiedene Fertigungsprozesse können zu diesem Zweck genutzt werden. Beispielhaft gehören hierzu Prozessschritte zur Dünnschichtabscheidung, Oxidwachstum oder Mikrobearbeitung, welche insbesondere zu Variation von Schichtdicken und mithin zu Variation der Schwingungsantworten bzw. Resonanzspektren führen. Insbesondere durch chemical mechanical polishing (CMP) oder TCF-compensation layer während der Herstellung (in-fabrication) oder thin film deposition bzw. localized mass deposition nach der Fertigstellung (post-fabrication) kann gezielt Einfluss auf Toleranzspannen für physikalische Eigenschaften der Resonatoren (wie z.B. die Schichtdicke) genommen werden.Various manufacturing processes can be used for this purpose. For example, this includes process steps for thin film deposition, oxide growth or micromachining, which in particular lead to variation in layer thicknesses and consequently to variation in the vibration responses or resonance spectra. In particular, chemical mechanical polishing (CMP) or TCF compensation layers during production ( in-fabrication ) or thin film deposition or localized mass deposition after completion ( post-fabrication ) can have a targeted influence on tolerance ranges for physical properties of the resonators (such as eg the layer thickness).

Neben den Fertigungsprozess kann auch während des Betriebes eines PUF-Elementes die die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators beeinflusst werden.In addition to the manufacturing process, the physical properties of the piezoelectric resonator can also be influenced during operation of a PUF element.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators, welche den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes festlegen, durch eine Tuningeinheit zusätzlich beeinflusst werden, wobei die Tuningeinheit eine elektrostatische Tuningeinheit, eine magnetostatische Tuningeinheit und/oder eine thermische Tuningeinheit ist.In a preferred embodiment, the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, can also be influenced by a tuning unit, the tuning unit being an electrostatic tuning unit, a magnetostatic tuning unit and/or a thermal tuning unit.

Mittels der Tuningeinheit können gezielt Umgebungsparameter für den piezoelektrischen Resonator als PUF-Element verändert werden, welche das Schwingungs- bzw. Resonanzverhalten beeinflussen.Using the tuning unit, ambient parameters for the piezoelectric resonator as a PUF element can be changed in a targeted manner, which influence the vibration or resonance behavior.

Eine elektrostatische Tuningeinheit kann vorzugsweise einen einstellbaren Kondensator umfassen, mittels dessen das elektrostatische Feld variierbar ist, in welchem sich der piezoelektrische Resonator befindet. Durch die Variation des elektrischen Feldes können die elektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Materialien verändert werden, sodass das Resonanzspektrum zusätzlich modifiziert wird (Lancaster et al. 1998).An electrostatic tuning unit can preferably include an adjustable capacitor, by means of which the electrostatic field in which the piezoelectric resonator is located can be varied. The electrical properties of the piezoelectric materials can be changed by varying the electric field, so that the resonance spectrum is additionally modified (Lancaster et al. 1998).

Eine magnetostatische Tuningeinheit kann vorzugsweise einen einstellbaren Elektromagneten aufweisen. Sofern der piezoelektrische Resonator bzw. dessen schwingfähige Struktur ferromagnetische Materialien aufweist oder mit magnetischen Partikeln versetzt ist, kann die Variation eines externen Magnetfeldes zusätzlichen mechanischen Stress auf die schwingfähigen Strukturen ausüben und hierdurch das Resonanzspektrum zusätzlich modifizieren (Maya et al. 1995).A magnetostatic tuning unit can preferably have an adjustable electromagnet. If the piezoelectric resonator or its oscillatable structure has ferromagnetic materials or is mixed with magnetic particles, the variation of an external magnetic field can exert additional mechanical stress on the oscillatable structures and thus additionally modify the resonance spectrum (Maya et al. 1995).

Ein thermische Tuningeinheit kann vorzugsweise ein Heizelement, optional zusammen mit einem Temperatursensor, umfassen, um die Umgebungstemperatur des piezoelektrischen Resonators zu steuern, welche ebenfalls das Resonanzverhalten beeinflussen kann.A thermal tuning unit may preferably include a heating element, optionally together with a temperature sensor, to control the ambient temperature of the piezoelectric resonator, which can also affect the resonance behavior.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur und das System weist eine Messeinheit zur Messung der Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Struktur auf.In a preferred embodiment of the invention, the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure and the system has a measuring unit for measuring the oscillation properties of the oscillatable structure.

Die Messeinheit ist bevorzugt geeignet zur Messung der Schwingungseigenschaften und insbesondere zur Messung eines zeitlichen Verlaufs der Schwingungseigenschaften. Die Schwingungseigenschaften der Struktur bzw. deren zeitlichen Verlauf stellen vorzugsweise Schwingungsantworten (Response) auf anregende elektrische Signale (Challenges) dar, mittels derer, wie beschrieben, Informationen über den kryptographischen Schlüssel erfasst werden können.The measuring unit is preferably suitable for measuring the vibration properties and in particular for measuring a time profile of the vibration properties. The vibrational properties of the structure or their progression over time preferably represent vibrational responses (response) to exciting electrical signals (challenges), by means of which, as described, information about the cryptographic key can be recorded.

Die Schwingungseigenschaften betreffen vorzugsweise die Schwingungsamplitude, die Schwingungsfrequenz, die Schwingungsmode, die Schwingungsphase (z. B gegenüber einem periodischen Anregungssignal, welches vom Prozessor appliziert wird), die Schwingungsintensität oder eine Dämpfung der Schwingung. Schwingungseigenschaften der Struktur, wie Frequenz, Amplitude oder Phasenverschiebung sind vorzugsweise messbar durch eine Messung der Auslenkung der Struktur an mindestens einem Ort und/oder mindestens einem Bereich der Struktur, wobei eine Betrachtung der Auslenkung über mindestens eine Schwingungsperiode, vorzugsweise mehrere Schwingungsperioden erfolgt.The vibration properties preferably relate to the vibration amplitude, the vibration frequency, the vibration mode, the vibration phase (eg compared to a periodic excitation signal which is applied by the processor), the vibration intensity or a damping of the vibration. Vibration properties of the structure, such as frequency, amplitude or phase shift, can preferably be measured by measuring the deflection of the structure at at least one location and/or at least one area of the structure, with the deflection being considered over at least one oscillation period, preferably several oscillation periods.

Zur Messung der Schwingungseigenschaften können unterschiedliche Komponenten verwandt werden.Different components can be used to measure the vibration properties.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System eine elektrische Messeinheit, bevorzugt zur Messung der Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Struktur des piezoelektrischen Resonators durch eine Impedanzmessung und/oder eine kapazitive Messung.In a preferred embodiment, the system comprises an electrical measuring unit, preferably for measuring the vibration properties of the oscillatable structure of the piezoelectric resonator by an impedance measurement and/or a capacitive measurement.

Eine Impedanz beschreibt insbesondere das Verhältnis von einer elektrischen Spannung zu einem elektrischen Strom, wobei insbesondere sinusförmige Spannungen und Ströme zugrunde gelegt werden und die Impedanz bevorzugt sowohl Informationen über das Verhältnis der Amplituden der Spannungen und Ströme sowie über deren Phasenverhältnis zueinander umfasst. Insbesondere bei einer Struktur, die mindestens ein piezoelektrisches Material umfasst, kann vorzugsweise an der Struktur, insbesondere an den Elektroden, die Impedanz vermessen werden, welche aufgrund der Verformung der Struktur und deren piezoelektrische Eigenschaften eine Abhängigkeit von den Schwingungseigenschaften aufweist. Dabei kann diese Impedanz vorzugweise auch an den Elektroden abgelesen werden, an denen ein elektrisches (Steuer-)signal zur Anregung der Schwingung anliegt. Hierbei überlagert sich vorzugsweise die Spannung des Steuersignals mit einer aufgrund der Verformung und/oder der Schwingungseigenschaften und deren Einfluss auf die Impedanz messbaren Spannung bzw. Stromes.An impedance describes in particular the ratio of an electrical voltage to an electrical current, with sinusoidal voltages and currents in particular being used as a basis and the impedance preferably including information about the ratio of the amplitudes of the voltages and currents and about their phase relationship to one another. In particular in the case of a structure which comprises at least one piezoelectric material, the impedance can preferably be measured on the structure, in particular on the electrodes, which is dependent on the vibration properties due to the deformation of the structure and its piezoelectric properties. In this case, this impedance can preferably also be read off at the electrodes on which an electrical (control) signal for exciting the oscillation is present. Here, the voltage of the control signal is preferably superimposed with a due the deformation and/or the vibration properties and their influence on the impedance of the measurable voltage or current.

Diese Spannung und/oder dieser Strom weist vorzugsweise eine andere Amplitude und/oder eine Phasenverschiebung im Verhältnis zum anregenden Steuersignal auf, welche sich messen lässt, beispielsweise durch Verwendung einer Lock-In-Technik unter Zuhilfenahme eines Lock-In-Verstärkers. Dabei kann am Eingang des Lock-In-Verstärkers bevorzugt ein zum elektrischen Steuersignal proportionales elektrisches Signal als Referenz anliegen und durch den Lock-In-Verstärker, bevorzugt unter Verwendung weiterer elektronischer Komponenten, die Impedanz der schwingungsfähigen Struktur im Vergleich zu dem Referenzsignal vermessen werden. Hierdurch können insbesondere Aussagen über das Phasenverhältnis der Impedanz zum Referenzsignal und/oder Amplitude der Impedanz getroffen werden, welche eine Bestimmung der Schwingungseigenschaften der Struktur ermöglicht.This voltage and/or this current preferably has a different amplitude and/or phase shift in relation to the exciting control signal, which can be measured, for example by using a lock-in technique with the aid of a lock-in amplifier. An electrical signal proportional to the electrical control signal can be present as a reference at the input of the lock-in amplifier and the impedance of the oscillatable structure can be measured in comparison to the reference signal by the lock-in amplifier, preferably using further electronic components. In this way, statements can be made in particular about the phase relationship of the impedance to the reference signal and/or the amplitude of the impedance, which enables the vibration properties of the structure to be determined.

Es kann ebenso bevorzugt sein, eine Impedanz an zusätzlichen Elektroden zu vermessen, an denen kein elektrisches Steuersignal gleichzeitig anliegt. Insbesondere kann dort aufgrund des direkten piezoelektrischen Effekts ein Strom und/oder eine Spannung vermessen werden, welche zu einer Vermessung der Schwingungseigenschaften der Struktur geeignet ist.It can also be preferred to measure an impedance at additional electrodes to which no electrical control signal is present at the same time. In particular, due to the direct piezoelectric effect, a current and/or a voltage can be measured there, which is suitable for measuring the vibration properties of the structure.

Durch Verwendung der Lock-In-Technologie kann eine besonders rauscharme Messung der Schwingungsantworten mit einem hohen Signal-zu-Rauschverhältnis realisiert werden.By using the lock-in technology, a particularly low-noise measurement of the vibration responses with a high signal-to-noise ratio can be implemented.

Eine elektrische Messeinheit kann vorzugsweise zudem zu einer kapazitiven Messung der schwingfähigen Struktur verwendet werden. Eine kapazitive Messung umfasst insbesondere eine Messung einer elektrischen Kapazität. Vorzugsweise kann die schwingfähige Struktur für eine solche Messung mindestens eine (mitschwingende) Elektrode aufweisen, wobei z. B. eine Kapazität zwischen dieser Elektrode und einer nicht mit der Struktur mitschwingenden Elektrode gemessen wird. Dabei ändert sich ein vom Schwingungsverhalten abhängigen Abstand zwischen den Elektroden und mithin deren Kapazität bzw. eine zwischen den Elektroden messbare Spannung und/oder eine Impedanz, eines durch die Elektroden gebildeten Kondensators, welche z. B. durch Anlegen eines Wechselstroms und/oder einer Wechselspannung gemessen werden kann.An electrical measuring unit can preferably also be used for a capacitive measurement of the oscillatable structure. A capacitive measurement includes in particular a measurement of an electrical capacitance. Preferably, the oscillatable structure for such a measurement can have at least one (resonating) electrode, with z. B. a capacitance is measured between this electrode and an electrode not resonating with the structure. In the process, a distance between the electrodes, which is dependent on the vibration behavior, and consequently their capacitance or a voltage that can be measured between the electrodes and/or an impedance of a capacitor formed by the electrodes, which z. B. can be measured by applying an alternating current and / or an AC voltage.

Derartige elektrische Messeinheiten können kostengünstig und unmittelbar auf demselben Chip, wie der piezoelektrische Resonator bzw. der Prozessor integriert werden.Such electrical measuring units can be integrated inexpensively and directly on the same chip as the piezoelectric resonator or the processor.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System eine optische Messeinheit, bevorzugt umfassend einen Photonenstrahler und einen Photodetektor, wobei der Photonenstrahler derart auf die schwingfähige Struktur ausgerichtet ist, dass mittels des Photodetektors die Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Struktur gemessen werden können.In a further embodiment, the system comprises an optical measuring unit, preferably comprising a photon emitter and a photodetector, the photon emitter being aligned with the oscillatable structure in such a way that the Photodetector, the vibration properties of the oscillatable structure can be measured.

Der vom Photonenstrahler emittierter Licht- bzw. Photonenstrahl ist auf die schwingfähige Struktur ausgerichtet, sodass dessen Strahlung bevorzugt im Wesentlichen oder teilweise von der Struktur reflektiert wird. Dafür können vorzugsweise das Spektrum der Emission des Photonenstrahlers und/oder die Oberfläche der schwingfähigen Struktur, an der die Reflektion stattfindet, abgestimmt sein, so dass der Strahl im Wesentlichen oder mindestens teilweise reflektiert wird. Dabei sind vorzugsweise Photonenstrahler, Photodetektor und/oder die Struktur so zueinander ausgerichtet, dass der von der Struktur reflektierte Strahl im Wesentlichen oder teilweise in einer Detektionsoberfläche des Photonendetektors absorbiert und vom Detektor bevorzugt in ein mess- und/oder auslesbares elektrisches bzw. elektronisches Signal umgewandelt wird, welches Aussagen über die Schwingungseigenschaften der Struktur zulässt.The light or photon beam emitted by the photon emitter is aligned with the oscillatable structure, so that its radiation is preferably essentially or partially reflected by the structure. For this purpose, the spectrum of the emission of the photon emitter and/or the surface of the oscillatable structure, on which the reflection takes place, can be tuned so that the beam is essentially or at least partially reflected. The photon emitter, photodetector and/or the structure are preferably aligned with one another in such a way that the beam reflected by the structure is essentially or partially absorbed in a detection surface of the photon detector and is preferably converted by the detector into a measurable and/or readable electrical or electronic signal which allows statements about the vibrational properties of the structure.

Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10%, besonders bevorzugt weniger als ± 5 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 3% und insbesondere weniger als ± 1%. Ähnlich beschreibt bevorzugt Größen die ungefähr gleich sind. Teilweise beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 %, in einigen Fällen zu mindestens 40 %.Terms such as essentially, approximately, about, approx. etc. preferably describe a tolerance range of less than ±20%, preferably less than ±10%, particularly preferably less than ±5%, even more preferably less than ±3% and in particular less than ± 1%. Similarly, preferred describes sizes that are approximately the same. Partially describes preferably at least 5%, more preferably at least 10%, and especially at least 20%, in some cases at least 40%.

Es kann bevorzugt sein, dass die optische Messeinheit weitere optische Elemente, wie z.B. einen Strahlteiler umfasst und der Photonenstrahler ein Laser oder eine Laserdiode ist, sodass die Schwingungseigenschaften der Struktur durch die optische Messeinheit beispielsweise über eine interferometrische Messung ausgelesen werden können.It can be preferred that the optical measuring unit comprises further optical elements, such as a beam splitter and the photon emitter is a laser or a laser diode, so that the vibration properties of the structure can be read out by the optical measuring unit, for example via an interferometric measurement.

Dabei kann insbesondere ein an der Struktur reflektierter Teilstrahl mit einem nicht an der Struktur reflektierten Teilstrahl überlagert werden, wobei beide Teilstrahlen im Wesentlichen oder teilweise zueinander kohärent sind und miteinander interferieren. Durch eine Messung der resultierenden konstruktiven bzw. destruktiven Interferenz der Teilstrahlen in bekannter Weise Aussagen über den zeitlichen Verlauf der Auslenkung der Struktur und deren die Schwingungseigenschaften getroffen werden.In this case, in particular, a partial beam reflected on the structure can be superimposed with a partial beam not reflected on the structure, with both partial beams being essentially or partially coherent with one another and interfering with one another. By measuring the resulting constructive or destructive interference of the partial beams in a known manner, statements can be made about the time profile of the deflection of the structure and its vibration properties.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das System zusätzlich zu einer Messeinheit zur Messung der Schwingungsantwort mindestens einen weiteren Sensor zur Bestimmung von Umgebungsparametern, wie beispielsweise einen Temperatursensor, eine Luftdrucksensor oder einen Feuchtigkeitssensor. Umgebungsparameter, wie die Temperatur, können teilweise das Schwingungsverhalten piezoelektrischer Resonatoren beeinflussen und stellen somit potentielle Fehlerquellen im Hinblick auf den erzeugten kryptographischen Schlüssel dar. Die zusätzlichen Messdaten über die Umgebungsparameter können vorteilhaft in Fehlerkorrekturverfahren einfließen, sodass auf robuste Weise besonders sichere Schlüssel erzeugt werden können.In a preferred embodiment, the system has at least one further sensor for determining environmental parameters, such as a temperature sensor, an air pressure sensor or a humidity sensor, in addition to a measuring unit for measuring the vibration response. Ambient parameters, such as temperature, can partially influence the vibration behavior of piezoelectric resonators and thus represent potential sources of error with regard to the generated represents cryptographic key. The additional measurement data on the environmental parameters can advantageously flow into error correction methods, so that particularly secure keys can be generated in a robust manner.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das PUF-Element zwei oder mehr piezoelektrische Resonatoren, welche seriell oder parallel mit einander verbunden sind. Bevorzugt kann hierdurch der Output eines piezoelektrischen Resonators als Input eines weiteren piezoelektrischen Resonators genutzt wird, um auf diese Weise miteinander verbundene kryptographische Schlüssel zu erzeugen, die in einem Schlüsselbund (engl. key rings) organisiert werden können.In a preferred embodiment, the PUF element comprises two or more piezoelectric resonators which are connected to one another in series or in parallel. In this way, the output of a piezoelectric resonator can preferably be used as the input of a further piezoelectric resonator in order in this way to generate cryptographic keys which are linked to one another and which can be organized in a key ring .

Bevorzugt ist die Kopplung zwischen den zwei oder mehr piezoelektrischen Resonatoren elektrisch. So kann ein erster piezoelektrischer Resonator mittels eines elektrischen Signals des Prozessors, wie beschrieben, zu Schwingungen angeregt und hierdurch ein elektrisches Ausgabesignal genieren. Das elektrische Ausgabesignal des ersten Resonators kann bevorzugt als elektrisches (Eingangs)Signal zur Anregung eines zweiten piezoelektrischen Resonators genutzt werden. Das erhaltene Ausgabesignal des gesamten PUF-Elementes entspricht mithin einer Verkettung von zwei oder mehr Resonatoren, sodass ein besonders komplexer kryptographischer Schlüssel bereitgestellt werden kann.Preferably, the coupling between the two or more piezoelectric resonators is electrical. Thus, a first piezoelectric resonator can be excited to oscillate by means of an electrical signal from the processor, as described, and thereby generate an electrical output signal. The electrical output signal of the first resonator can preferably be used as an electrical (input) signal for exciting a second piezoelectric resonator. The output signal obtained from the entire PUF element therefore corresponds to a concatenation of two or more resonators, so that a particularly complex cryptographic key can be provided.

Während die elektrische Kopplung zwischen den Resonatoren bevorzugt ist, kann alternativ oder zusätzlich eine mechanische Kopplung vorgesehen sein. Hierbei wird das PUF-Element derart konstruiert, dass die Schwingungsantwort eines ersten Resonators als mechanischer Input für einen in der Kette folgenden Resonator verwandt wird.While electrical coupling between the resonators is preferred, mechanical coupling may alternatively or additionally be provided. Here, the PUF element is constructed in such a way that the vibration response of a first resonator is used as a mechanical input for a subsequent resonator in the chain.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das System eine mit dem Prozessor verbundene Kommunikationsschnittstelle auf, welche dafür konfiguriert ist, von einer externen Entität eine Challenge zu empfangen und eine Response zu senden, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, als Antwort auf die Challenge einen Response zu generieren, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt.In a preferred embodiment, the system includes a communications interface coupled to the processor configured to receive a challenge and send a response from an external entity, the processor configured to generate a response in response to the challenge , which depends on the physical properties of the PUF element.

Bei der Kommunikationsschnittstelle kann es sich um eine standardisierte Schnittstelle handeln zum Austausch von Daten, wie beispielsweise Bluetooth, Lightning, USB, WLAN etc. handeln. Es kann sich jedoch auch um eine individuell für das System entwickelte Schnittstelle handeln. Die Schnittstelle kann drahtlos oder kabelgebunden sein.The communication interface can be a standardized interface for exchanging data, such as Bluetooth, Lightning, USB, WLAN, etc. However, it can also be an interface developed individually for the system. The interface can be wireless or wired.

Der vom Prozessor generierte Response ist bevorzugt durch eine Messung der Schwingungsantwort(en) des piezoelektrischen Resonators in Abhängigkeit einer oder mehrerer anregender elektrischer Signale (Challenges) vorgeben. Bevorzugt können die Messdaten über die Schwingungsantwort von dem Prozessor über die Kommunikationsschnittstelle zur Generation des kryptographischen Schlüssels unmittelbar an die externe Entität weiterleitet werden. Es kann aber auch bevorzugt sein, dass der Prozessor die Messdaten über die Schwingungsantwort vor der Weiterleitung vorverarbeitet. Fehlerkorrekturverfahren zur Bereitstellung besonders zuverlässiger Schlüssel, beispielweise zur Rauschunterdrückung in den Messdaten, können mithin bevorzugt auf dem Prozessor und/oder der externen Entität durchgeführt werden.The response generated by the processor is preferably specified by measuring the vibration response(s) of the piezoelectric resonator as a function of one or more exciting electrical signals (challenges). The measurement data on the vibration response can preferably be sent directly by the processor via the communication interface to generate the cryptographic key be forwarded to the external entity. However, it can also be preferable for the processor to preprocess the measurement data on the vibration response before forwarding it. Error correction methods for providing particularly reliable keys, for example for noise suppression in the measurement data, can therefore preferably be carried out on the processor and/or the external entity.

In bevorzugten Ausführungsformen erstellt der Prozessor auf der Grundlage eines Eingangssignals der PUF während der Herstellung und Prüfung des Systems eine Challenge-Response-Datenbank. Die Challenge-Response-Datenbank umfasst bevorzugt eine Vielzahl von Challenges und eine Vielzahl von Antworten, wobei jede Challenge bevorzugt mit mindestens einer Antwort aus der Vielzahl der Antworten verknüpft ist. Die Kommunikationsschnittstelle kommuniziert die Vielzahl der Herausforderungen in den Prozessor hinein und die Vielzahl der Antworten aus dem Prozessor heraus.In preferred embodiments, the processor creates a challenge-response database based on an input of the PUF during manufacture and testing of the system. The challenge-response database preferably includes a plurality of challenges and a plurality of responses, each challenge preferably being associated with at least one response from the plurality of responses. The communications interface communicates the multitude of challenges into the processor and the multitude of responses out of the processor.

Durch eine derart erhalten PUF-basierte Datenbank für die Challenge-Response, welche während der Herstellung und Prüfung des Systems erstellt wurde, kann ein besonders sicheres Verfahren zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes genutzt werden. Bei dem Objekt kann es sich um vorzugsweise um ein elektronisches Gerät oder aber einen Prozessor selbst handeln.A PUF-based database obtained in this way for the challenge-response, which was created during the production and testing of the system, allows a particularly secure method for authentication and/or determination of the identity of an object to be used. The object can preferably be an electronic device or a processor itself.

Bevorzugt wird eine Challenge zuerst von einer vertrauenswürdigen Entität während einer vertrauenswürdigen Transaktion empfangen, und dementsprechend wird als Response auf die Challenge auf der Grundlage eines auf dem PUF-Element basierenden Eingangssignals eine Response generiert. Die Response wird an die vertrauenswürdige Entität übermittelt. Die vertrauenswürdige Entität authentifiziert das Objekt oder stellt eine Identität fest, indem sie die Response mit einer auf der PUF basierenden Challenge-Response-Datenbank vergleicht. Bei der Authentifizierung der Response kann ein Bestätigungssignal an das Objekt bzw. das elektronische Gerät ausgegeben werden.Preferably, a challenge is first received from a trusted entity during a trusted transaction, and accordingly a response is generated in response to the challenge based on an input signal based on the PUF element. The response is delivered to the trusted entity. The trusted entity authenticates the object or establishes an identity by comparing the response to a challenge-response database based on the PUF. When the response is authenticated, a confirmation signal can be output to the object or the electronic device.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein elektronisches Gerät umfassend ein beschriebenes System zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität des elektronischen Gerätes.In a further aspect, the invention relates to an electronic device comprising a described system for authentication and/or establishing the identity of the electronic device.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines piezoelektrischen Resonators als physisch unklonierbare Funktion (PUF) zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes, vorzugsweise ein elektronisches Gerät.In a further aspect, the invention relates to the use of a piezoelectric resonator as a physically unclonable function (PUF) for authentication and/or determination of the identity of an object, preferably an electronic device.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis einer physisch unklonierbaren Funktion (PUF) umfassend

  1. a. Bereitstellung eines PUF-Elementes, wobei das PUF-Element dafür konfiguriert ist einen kryptographischen Schlüssel zu erzeugen, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt, wobei das PUF-Element einen piezoelektrischen Resonator umfasst
  2. b. Bereitstellung eines Prozessors, welcher mit dem PUF-Element verbunden ist
  3. c. Senden und/oder Empfangen elektrischer Signale vom Prozessor an das PUF-Element zum Erhalten von Informationen über den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes
In a further aspect, the invention relates to a method for the authentication and/or determination of the identity of an object based on a physically unclonable function (PUF).
  1. a. Providing a PUF element, wherein the PUF element is configured to generate a cryptographic key that depends on physical properties of the PUF element, the PUF element comprising a piezoelectric resonator
  2. b. Providing a processor connected to the PUF element
  3. c. sending and/or receiving electrical signals from the processor to the PUF element to obtain information about the cryptographic key of the PUF element

Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen, welche für das erfindungsgemäßen System offenbart wurden, gleichermaßen für das elektronisches Gerät, umfassend ein solches System, die Verwendung eines piezoelektrischen Resonators als PUF-Element sowie ein Verfahren zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes gelten und umgekehrt.The average person skilled in the art recognizes that technical features, definitions and advantages of preferred embodiments disclosed for the system according to the invention are equally applicable to the electronic device comprising such a system, the use of a piezoelectric resonator as a PUF element and a method for authentication and/or or establishing the identity of an object and vice versa.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner die Schritte

  1. a. Senden elektrischer Signale vom Prozessor an das PUF-Element zur Schwingungsanregung des piezoelektrischen Resonators
  2. b. Empfangen einer Schwingungsantwort des piezoelektrischen Resonators durch den Prozessor
  3. c. Auswertung der Schwingungsantwort in Abhängigkeit der Schwingungsanregung zur Zusammenstellung von Informationen über den kryptographischen Schlüssel
In a preferred embodiment, the method according to the invention further comprises the steps
  1. a. Sending electrical signals from the processor to the PUF element to excite the piezoelectric resonator to vibrate
  2. b. receiving, by the processor, a vibrational response of the piezoelectric resonator
  3. c. Evaluation of the vibration response as a function of the vibration excitation to compile information about the cryptographic key

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Authentisierung in einem Challenge-Response-Verfahren genutzt wird, wobei bevorzugt der Prozessor eine Challenge von einer externen Entität empfängt und in Abhängigkeit der Challenge elektrische Signale an das PUF-Elemente sendet sowie elektrische Signale des PUF-Elementes als Antwort auf die Challenge empfängt und auf deren Basis einen Response geniert, welcher an die externen Entität übertragen wird.In a particularly preferred embodiment, the method for authentication is used in a challenge-response method, with the processor preferably receiving a challenge from an external entity and, depending on the challenge, sending electrical signals to the PUF element and electrical signals from the PUF element as an answer to the challenge and based on this generates a response, which is transmitted to the external entity.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese beschränkt zu sein.

  • Fig. 1 und 2 illustrieren bevorzugte Ausführungsformen eines piezoelektrischen Resonators.
  • Fig. 1 zeigt einen bevorzugten piezoelektrischen Biegebalken 1, welche als Freischwinger mit einseitiger Aufhängung an einer Trägerstruktur ausgestaltet ist.
  • Fig. 2 zeigt eine bevorzugt piezoelektrische Membran 2, welche zwischen zwei Trägerstrukturen schwingfähig installiert vorliegt.
The invention is to be explained in more detail below using examples, without being restricted to these.
  • Figures 1 and 2 illustrate preferred embodiments of a piezoelectric resonator.
  • 1 shows a preferred piezoelectric bending beam 1, which is designed as a cantilever with one-sided suspension on a support structure.
  • 2 shows a preferably piezoelectric membrane 2, which is installed between two support structures so that it can vibrate.

Beide Ausführungsformen eines piezoelektrischen Resonators eignen sich wie beschrieben als ein PUF-Element, welches dafür konfiguriert ist einen kryptographischen Schlüssel zu erzeugen, wobei der kryptographische Schlüssel von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes festgelegt wird und bevorzugt von einer Schwingungsantwort des piezoelektrischen Resonators auf eine Schwingungsanregung abhängt.As described, both embodiments of a piezoelectric resonator are suitable as a PUF element which is configured to generate a cryptographic key, the cryptographic key being determined by the physical properties of the PUF element and preferably by an oscillation response of the piezoelectric resonator to an oscillation excitation depends.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE LIST

11
Piezoelektrischer BiegebalkenPiezoelectric bending beam
33
Piezoelektrische MembranPiezoelectric membrane
LITERATURVERZEICHNISBIBLIOGRAPHY

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Claims (15)

System zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis einer physisch unklonierbaren Funktion (PUF) umfassend a. ein PUF-Element, wobei das PUF-Element dafür konfiguriert ist, einen kryptographischen Schlüssel zu erzeugen, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt und b. einen Prozessor, welcher mit dem PUF-Element verbunden ist und dafür konfiguriert ist, durch Senden und/oder Empfangen elektrische Signale Informationen über den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes zu erhalten und auf Basis der Information eine Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes durchzuführen
dadurch gekennzeichnet, dass
das PUF-Element einen piezoelektrischen Resonator umfasst. System for authentication and/or determination of the identity of an object based on a physically unclonable function (PUF). a. a PUF element, the PUF element being configured to generate a cryptographic key which depends on the physical properties of the PUF element and b. a processor connected to the PUF element and configured to obtain information about the cryptographic key of the PUF element by sending and/or receiving electrical signals and, based on the information, an authentication and/or determination of the identity of an object to perform
characterized in that
the PUF element comprises a piezoelectric resonator. System gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass
der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur umfasst, wobei die schwingfähige Struktur einen piezoelektrischen Aktuator umfasst, welcher zur Anregung der schwingfähigen Struktur konfiguriert ist.System according to the previous claim
characterized in that
the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure, wherein the oscillatable structure comprises a piezoelectric actuator configured to excite the oscillatable structure. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der piezoelektrische Resonator ein piezoelektrischer Biegebalken (1) und/oder eine piezoelektrische Membran (2) umfasst.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the piezoelectric resonator comprises a piezoelectric bending beam (1) and/or a piezoelectric membrane (2). System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der kryptographische Schlüssel, welcher durch die physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes festgelegt wird von einer Schwingungsantwort des piezoelektrischen Resonators auf eine Schwingungsanregung abhängt.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the cryptographic key, which is determined by the physical properties of the PUF element, depends on an oscillation response of the piezoelectric resonator to an oscillation excitation. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators, welche den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes festlegen, während des Fertigungsprozesses festgelegt werden und als Zufallsgrößen in einen festgelegten Toleranzbereich für den Fertigungsprozess fallen.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, are defined during the manufacturing process and fall within a specified tolerance range for the manufacturing process as random variables. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators, welche den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes festlegen, durch eine Tuningeinheit zusätzlich beeinflusst werden, wobei die Tuningeinheit eine elektrostatische Tuningeinheit, eine magnetostatische Tuningeinheit und/oder eine thermische Tuningeinheit ist.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, are additionally influenced by a tuning unit, the tuning unit being an electrostatic tuning unit, a magnetostatic tuning unit and/or a thermal tuning unit. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur umfasst und die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Resonators, welche den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes festlegen, ausgewählt sind aus der Gruppe enthaltend geometrische Abmessung der schwingfähigen Struktur, beispielsweise Länge, Höhe und/oder Dicke eines piezoelektrischen Balkens oder Membrandicke einer piezoelektrischen Membran, Elastizität, Schichtdicke und/oder Zusammensetzung eines piezoelektrischen Materials der schwingfähigen Struktur.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure and the physical properties of the piezoelectric resonator, which define the cryptographic key of the PUF element, are selected from the group containing geometric dimensions of the oscillatable structure, for example length, height and/or thickness of a piezoelectric beam or membrane thickness a piezoelectric membrane, elasticity, layer thickness and/or composition of a piezoelectric material of the oscillatable structure. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
der piezoelektrische Resonator eine schwingfähige Struktur umfasst und das System eine Messeinheit zur Messung der Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Struktur aufweist.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the piezoelectric resonator comprises an oscillatable structure and the system has a measuring unit for measuring the oscillation properties of the oscillatable structure. System gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass
die Messeinheit eine elektrische Messeinheit ist, bevorzugt zur Messung der Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Struktur des piezoelektrischen Resonators durch eine Impedanzmessung und/oder eine kapazitive Messung und/oder
die Messeinheit eine optische Messeinheit ist, bevorzugt umfassend einen Photonenstrahler und einen Photodetektor, wobei der Photonenstrahler derart auf die schwingfähige Struktur ausgerichtet ist, dass mittels des Photodetektors die Schwingungseigenschaften der schwingfähigen Struktur gemessen werden können.System according to the previous claim
characterized in that
the measuring unit is an electrical measuring unit, preferably for measuring the vibration properties of the oscillatable structure of the piezoelectric resonator by an impedance measurement and/or a capacitive measurement and/or
the measuring unit is an optical measuring unit, preferably comprising a photon emitter and a photodetector, the photon emitter being aligned with the oscillatable structure in such a way that the oscillating properties of the oscillatable structure can be measured using the photodetector. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das PUF-Element zwei oder mehr piezoelektrische Resonatoren umfasst, welche seriell oder parallel mit einander verbunden sind, wobei bevorzugt der Output eines piezoelektrischen Resonators als Input eines weiteren piezoelektrischen Resonators genutzt wird, um miteinander verbundene kryptographische Schlüssel zu erzeugen, die in einem Schlüsselbund organisiert werden können.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the PUF element comprises two or more piezoelectric resonators connected to each other in series or in parallel, preferably using the output of one piezoelectric resonator as the input of another piezoelectric resonator to generate interconnected cryptographic keys that are organized in a keyring be able. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das System eine mit dem Prozessor verbundene Kommunikationsschnittstelle aufweist, welche dafür konfiguriert ist, von einer externen Entität eine Challenge zu empfangen und eine Response zu senden, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, als Antwort auf die Challenge einen Response zu generieren, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt.System according to any one of the preceding claims
characterized in that
the system has a communication interface coupled to the processor configured to receive a challenge from an external entity and to send a response, the processor configured to generate a response in response to the challenge, which is defined by the physical Properties of the PUF element depends. Elektronisches Gerät
umfassend ein System gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität des elektronischen Gerätes.Electronic device
comprising a system according to any one of the preceding claims for authentication and/or determination of the identity of the electronic device. Verwendung eines piezoelektrischen Resonators als physisch unklonierbare Funktion (PUF) zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes.Use of a piezoelectric resonator as a physically unclonable function (PUF) to authenticate and/or determine the identity of an object. Verfahren zur Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität eines Objektes auf Basis einer physisch unklonierbaren Funktion (PUF) umfassend a. Bereitstellung eines PUF-Elementes, wobei das PUF-Element dafür konfiguriert ist einen kryptographischen Schlüssel zu erzeugen, welcher von den physikalischen Eigenschaften des PUF-Elementes abhängt, wobei das PUF-Element einen piezoelektrischen Resonator umfasst b. Bereitstellung eines Prozessors, welcher mit dem PUF-Element verbunden ist c. Senden und/oder Empfangen elektrischer Signale vom Prozessor an das PUF-Element zum Erhalten von Informationen über den kryptographischen Schlüssel des PUF-Elementes d. Durchführung einer Authentifizierung und/oder Feststellung der Identität des Objektes anhand der erhaltenen Informationen. Comprising a method for authenticating and/or determining the identity of an object based on a physically unclonable function (PUF). a. Providing a PUF element, wherein the PUF element is configured to generate a cryptographic key that depends on physical properties of the PUF element, the PUF element comprising a piezoelectric resonator b. Providing a processor connected to the PUF element c. sending and/or receiving electrical signals from the processor to the PUF element to obtain information about the cryptographic key of the PUF element i.e. Carrying out an authentication and/or determination of the identity of the object based on the information received. Verfahren gemäß dem vorherigen Anspruch
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst a. Senden elektrischer Signale vom Prozessor an das PUF-Element zur Schwingungsanregung des piezoelektrischen Resonators b. Empfangen einer Schwingungsantwort des piezoelektrischen Resonators durch den Prozessor c. Auswertung der Schwingungsantwort in Abhängigkeit der Schwingungsanregung zur Zusammenstellung von Informationen über den kryptographischen Schlüssel
und/oder
das Verfahren zur Authentisierung in einem Challenge-Response-Verfahren genutzt wird, wobei bevorzugt der Prozessor eine Challenge von einer externen Entität empfängt und in Abhängigkeit der Challenge elektrische Signale an das PUF-Elemente sendet sowie elektrische Signale des PUF-Elementes als Antwort auf die Challenge empfängt und auf deren Basis einen Response geniert, welcher an die externen Entität übertragen wird. Method according to the previous claim
characterized in that
the method further comprises the following steps a. Sending electrical signals from the processor to the PUF element to excite the piezoelectric resonator to vibrate b. receiving, by the processor, a vibrational response of the piezoelectric resonator c. Evaluation of the vibration response as a function of the vibration excitation to compile information about the cryptographic key
and or
the method for authentication is used in a challenge-response method, with the processor preferably receiving a challenge from an external entity and depending on the challenge sending electrical signals to the PUF element and electrical signals from the PUF element in response to the challenge receives and on the basis of which a response is generated, which is transmitted to the external entity.
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